變速永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)及控制策略

沈建新 繆冬敏

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院 杭州 310027）

1 引言

永磁同步發(fā)電機（PMSG）具有效率高、功率密度大、拓撲結(jié)構(gòu)靈活多樣、不需電刷機構(gòu)等諸多優(yōu)點，因此在風力發(fā)電機[1-3]、燃氣輪發(fā)電機[4]、航空航天用主發(fā)電機[5]、車用發(fā)電機或起動/發(fā)電一體機[6-8]、飛輪儲能系統(tǒng)電動/發(fā)電一體機[9]等諸多場合的應(yīng)用日益廣泛，并覆蓋了從兆瓦級到瓦級的很寬功率范圍。

永磁同步發(fā)電機本身輸出交流電。只有當原動機轉(zhuǎn)速恒定時發(fā)電機的輸出頻率才維持穩(wěn)定，但是輸出電壓仍會隨負載而變化。為了減小電壓調(diào)整率，在設(shè)計發(fā)電機時往往需要大幅度提高永磁磁負荷來減小繞組匝數(shù)與阻抗，因此磁負荷與電負荷可能不均勻，給發(fā)電機的功率密度及成本等帶來負面影響。而且，原動機往往是變速運行的，甚至速度范圍很寬（例如車用發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化可達10倍以上[6]），則發(fā)電機的輸出頻率與電壓大小均不穩(wěn)定。因此，永磁同步發(fā)電機通常需要AC-AC或AC-DC-AC電力電子裝置來實現(xiàn)交流穩(wěn)壓與恒頻，也可實現(xiàn)交流并網(wǎng)。在實際系統(tǒng)中，又以AC-DC-AC結(jié)構(gòu)為多。當然，永磁同步發(fā)電機也可通過 AC-DC裝置來提供直流電源（例如車用發(fā)電機），必要時可再采用DC-DC裝置實現(xiàn)高品質(zhì)的直流穩(wěn)壓。

所以，大部分實際應(yīng)用的永磁同步發(fā)電機都需要一套電力電子裝置實現(xiàn)整流與穩(wěn)壓（即提供穩(wěn)定的直流電源），由此構(gòu)成一個基本的發(fā)電機系統(tǒng)。常見的整流與直流穩(wěn)壓包括以下方式：晶閘管可控整流[6]、二極管不控整流+DC-DC變換[10]，以及PWM整流[4,7]。若最終需要提供交流電源或交流并網(wǎng)，則可在直流環(huán)節(jié)之后連接逆變裝置；當然，逆變裝置本身可以穩(wěn)定交流側(cè)電壓，因此對前端直流穩(wěn)壓的要求就比較低。

對于變速、變負載的基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)，穩(wěn)壓控制包括兩大類，即：發(fā)電機輸出端不穩(wěn)壓但直流端穩(wěn)壓，稱為單端口穩(wěn)壓；發(fā)電機輸出端基本穩(wěn)壓且直流端穩(wěn)壓，稱為雙端口穩(wěn)壓。本文將對這兩類系統(tǒng)的構(gòu)成及控制策略進行綜合分析與比較。

2 單端口穩(wěn)壓

單端口穩(wěn)壓的基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示，其發(fā)電機本身不作穩(wěn)壓控制，而直接依靠電力電子裝置實現(xiàn)直流側(cè)的穩(wěn)壓。需要說明的是，直流濾波環(huán)節(jié)沒有在圖1中示出；逆變器可用以輸出后續(xù)的交流電源或交流并網(wǎng)，當然，可以看作是直流端的負載。

圖1 單端口穩(wěn)壓的基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Schematics of fundamental PMSG systems with single-terminal voltage stabilization

2.1 晶閘管可控整流

晶閘管可控整流可以是半控型或全控型，可以是單相、三相或多相。該技術(shù)已經(jīng)成熟，所需器件價格低廉，大電流、高電壓的器件亦不依賴進口，因此應(yīng)用廣泛。

令永磁同步發(fā)電機的最低轉(zhuǎn)速是 nmin，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動勢幅值是 Emin；最高轉(zhuǎn)速是 nmax，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電動勢幅值是 Emax。令所需直流電壓是 Udc。那么，必須設(shè)計發(fā)電機具有足夠大的旋轉(zhuǎn)電動勢，使得在最低轉(zhuǎn)速下，經(jīng)最大整流（晶閘管整流器的觸發(fā)角=0）的直流電壓等于或略大于 Udc。那么，當發(fā)電機運行在較高轉(zhuǎn)速時，晶閘管整流器的觸發(fā)角較大，直流側(cè)紋波增大，需要足夠的濾波裝置。更重要的是，晶閘管及濾波電容的電壓等級必須按Emax而非 Udc或 Emin來選擇，則在發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化范圍很寬的情況下會帶來問題。例如，若 Udc是270V，轉(zhuǎn)速變化范圍是10倍，則Emax可超過2700V，給晶閘管與電容器的選型帶來困難；并且，在高速運行時整流器輸出電壓的交流分量遠大于直流分量，需要很大的直流濾波環(huán)節(jié)。

所以，永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)采用晶閘管整流時，直流供電品質(zhì)較差；若轉(zhuǎn)速變化范圍大，則對晶閘管及電容器的電壓等級要求高，甚至可能找不到滿足耐壓等級的器件。此外，發(fā)電機本身的絕緣耐壓等級也需按最大旋轉(zhuǎn)電動勢Emax設(shè)計，要求較高。

2.2 二極管不控整流+DC-DC變換

功率二極管價格低廉，大電流、高電壓的器件亦不依賴進口。DC-DC變換器的開關(guān)頻率高，直流側(cè)的濾波比較容易實現(xiàn)，電能品質(zhì)較好。但是功率開關(guān)器件的價格較高，尤其是大電流、高電壓、質(zhì)量好的國產(chǎn)器件較少。

這類系統(tǒng)又可分為下述三種情況。

2.2.1 二極管不控整流+降壓電路

必須設(shè)計發(fā)電機具有足夠大的旋轉(zhuǎn)電動勢，在nmin轉(zhuǎn)速下且最大負載時，發(fā)電機輸出的最小交流電壓 Umin經(jīng)不控整流后應(yīng)略大于 Udc，再作少量的降壓（降壓電路的PWM占空比接近于100%），達到 Udc。那么在 nmax轉(zhuǎn)速下且空載時，發(fā)電機輸出的最大交流電壓Umax經(jīng)不控整流后將數(shù)倍于Udc（主要取決于速度變化比），再作深度降壓（PWM占空比比較?。?，達到Udc。所以，功率二極管和功率開關(guān)管均須按Emax選取電壓等級。對于第 2.1節(jié)所舉的例子，難以選取合適耐壓等級的功率二極管與開關(guān)管；而且，在發(fā)電機高速區(qū)，降壓電路的 PWM占空比很?。s 10%），直流電壓紋波較大，因此對后續(xù)的直流濾波環(huán)節(jié)也有較高要求。

2.2.2 二極管不控整流+升壓電路

必須設(shè)計發(fā)電機具有較小的旋轉(zhuǎn)電動勢，在nmax轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機輸出的Umax交流電經(jīng)不控整流后應(yīng)略小于Udc，再作少量升壓后達到Udc。那么在nmin轉(zhuǎn)速下，發(fā)電機輸出的 Umin交流電經(jīng)不控整流后可能遠小于Udc（取決于速度變化比），再作深度升壓（對于前面所舉例子，須達10倍以上）才能達到 Udc。功率二極管和功率開關(guān)管均按 Emax選取電壓等級，對于前面所舉的例子都很容易選取（可取600V耐壓）。但是，若在整個速度范圍內(nèi)發(fā)電系統(tǒng)的功率基本恒定，則低速nmin時的電流將是高速nmax時的數(shù)倍，而功率管須按最大電流選取電流等級，因此也對器件選型造成不利影響。類似地，發(fā)電機也須按最大電流選擇繞組線徑和設(shè)計磁路飽和程度。而且，在nmin轉(zhuǎn)速下，高倍數(shù)的升壓電路較難實現(xiàn)，往往需要大容量的電抗器與電容器等，這對系統(tǒng)的成本、體積、效率都不利。

2.2.3 二極管不控整流+升壓/降壓復(fù)合電路

優(yōu)化電機的電磁設(shè)計，使之在某中間轉(zhuǎn)速 nmid下其輸出電壓 Umid經(jīng)整流后接近 Udc。那么，在較低速運行時采用升壓電路，在較高速運行時采用降壓電路，從而穩(wěn)定直流側(cè)電壓。此結(jié)構(gòu)可以較好地克服前面兩種結(jié)構(gòu)對功率器件電壓或電流等級要求高的缺點。但是，功率變換裝置結(jié)構(gòu)與控制復(fù)雜、成本較高；在速度變化范圍很寬的情況下，對功率器件的電壓或電流等級的要求仍然是比較高的。

3 雙端口穩(wěn)壓

第2節(jié)所述的單端口穩(wěn)壓控制沒有對發(fā)電機輸出電壓采取穩(wěn)壓措施，因此，在寬速度范圍條件下，會對功率器件的耐壓或耐流選型造成困難，也可能對濾波電容的耐壓及發(fā)電機本身的絕緣耐壓帶來不利影響。而雙端口穩(wěn)壓控制可以在寬速度范圍條件下維持發(fā)電機的輸出電壓穩(wěn)定或基本穩(wěn)定，然后通過簡單的不控整流提供品質(zhì)較低的直流電源，或者再配以 DC-DC裝置來實現(xiàn)直流側(cè)的高品質(zhì)穩(wěn)壓，或者用可控的 AC-DC裝置實現(xiàn)高品質(zhì)整流。雙端口穩(wěn)壓的基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)的常見結(jié)構(gòu)如圖2所示。其優(yōu)點在于電力電子裝置的輸入電壓基本穩(wěn)定，不存在功率器件的電壓或電流等級選型問題，也不存在DC-DC變換比例非常大或非常小的問題。

圖2 雙端口穩(wěn)壓的基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Schematics of fundamental PMSG systems with dual-terminal voltage stabilization

同步發(fā)電機的輸出電壓受轉(zhuǎn)速、負載、電樞繞組、勵磁磁場等因素的影響。對于變速、變負載永磁同步發(fā)電機而言，可以通過調(diào)節(jié)電樞繞組及氣隙磁場來維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。比較成熟及近年來研究較多的包括如下幾類控制技術(shù)。

3.1 電樞繞組調(diào)節(jié)控制

永磁同步發(fā)電機電樞繞組采用兩套或更多套線圈，發(fā)電機低速運行時線圈串聯(lián)，高速運行時線圈并聯(lián)[11]；或者簡單地采用帶抽頭的電樞繞組，低速運行時有較多線圈匝數(shù)接入，高速運行時舍棄一些線圈匝數(shù)。由此可以分級調(diào)整發(fā)電機輸出電壓，使之變化范圍較小。這種結(jié)構(gòu)的缺點在于，需要復(fù)雜的功率開關(guān)器件或接觸器來實現(xiàn)繞組的串并聯(lián)或線圈匝數(shù)取舍，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高；如果采用接觸器，則在切換時有可能造成短時失電；采用抽頭式繞組時，繞組利用率較低；發(fā)電機的穩(wěn)壓效果欠佳，因此需要電力電子裝置對直流端進一步穩(wěn)壓。

3.2 氣隙磁場調(diào)節(jié)控制

在發(fā)電機低速運行時保持較強的氣隙磁場，在高速運行時減弱氣隙磁場，以此來穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。但是，永磁同步發(fā)電機的氣隙磁場相比電勵磁同步發(fā)電機而言較難調(diào)節(jié)，因此這類控制方法成了近年來的研究熱點。

3.2.1 機械式磁場控制

這類控制方法主要是調(diào)節(jié)定子與轉(zhuǎn)子的相對位置來改變永磁體在電樞繞組中的勵磁磁鏈：對徑向磁場電機而言，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的軸向位置（即調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子的重合度）[6]；對軸向磁場電機而言，可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子與定子相對距離[12]。也可以把一個轉(zhuǎn)子分成若干段，每段具有相同極數(shù)的永磁體，當它們完全同相位時有效勵磁最大，當它們錯開一定角度時有效勵磁減小[13]。這類方法都需要一套機械裝置來控制電機的勵磁進而穩(wěn)定輸出電壓，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，在成本、可靠性、控制精度等方面也有欠缺之處。

3.2.2 電磁式磁場控制

電磁式方法是給永磁同步發(fā)電機的繞組中饋入合適的勵磁電流，可以比機械式方法更精確地控制電機的氣隙磁場并穩(wěn)定輸出電壓。電磁式控制又可分為下述兩類：

（1）混合勵磁。

混合勵磁型永磁同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)較多，主要區(qū)別在于勵磁線圈與轉(zhuǎn)子的電勵磁磁極的設(shè)置，而其電樞繞組一般與普通同步發(fā)電機相同。

文獻[14]提出在轉(zhuǎn)子上增加與永磁體相同極數(shù)的爪極，在定子上設(shè)置勵磁線圈。當勵磁線圈中饋入可控的直流電流后，在爪極中產(chǎn)生與原有永磁體同方向或反向的勵磁磁場，起到增磁或弱磁的目的。并且，電勵磁與永磁勵磁的磁路相互獨立，因此弱磁性質(zhì)的電勵磁不會對永磁體產(chǎn)生明顯的退磁作用，而且發(fā)電機的電磁設(shè)計也比較簡單。由于勵磁線圈中通入的是直流電流，因此可以用簡單的電力電子電路（如H橋）調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)壓控制。這類電機可以看作是普通永磁同步發(fā)電機與爪極式電勵磁同步發(fā)電機的復(fù)合（即兩套勵磁、一套電樞），原理簡單，但是機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造成本較高。文獻[15]則在轉(zhuǎn)子上設(shè)計了與永磁體混合安裝的鐵磁磁極，起到與爪極類似的作用。相對而言，其定子勵磁繞組與轉(zhuǎn)子磁極都比較容易安裝，但是電勵磁與永磁勵磁的磁路耦合，因此給電磁設(shè)計帶來一定的難度。

文獻[16]提出在定子鐵心中安裝一套三相補償繞組（即勵磁繞組），而轉(zhuǎn)子仍然采用純永磁勵磁。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置通入合適的交流勵磁電流產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子同步的旋轉(zhuǎn)磁場，且該磁場可以對永磁勵磁進行適當?shù)脑龃排c弱磁。顯然，這類電機的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)難度與普通永磁同步發(fā)電機并無明顯區(qū)別；只是在定子鐵心中須留出勵磁繞組的安裝空間；電勵磁與永磁勵磁相互耦合，因此設(shè)計難度較大；并且需用三相逆變器控制勵磁電流，也需要轉(zhuǎn)子位置信號，因此控制比較復(fù)雜。

一般的永磁同步發(fā)電機都是把永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，但是也有一些電機把永磁體安裝在定子上，可以統(tǒng)稱為定子永磁式發(fā)電機。這類電機的轉(zhuǎn)子都是簡單的凸極鐵心結(jié)構(gòu)，與開關(guān)磁阻電機相同。定子上的永磁體可以安裝在鐵心軛部，一般稱作雙凸極永磁電機或永磁式開關(guān)磁阻電機；也可以安裝在齒內(nèi)，稱作永磁開關(guān)磁鏈電機或永磁磁通切換電機；也可以安裝在齒頂表面面向氣隙的部位，稱為磁鏈反轉(zhuǎn)式永磁電機。文獻[17,18]在雙凸極永磁電機的基礎(chǔ)上，提出在定子上安裝直流勵磁繞組，其產(chǎn)生的磁場對永磁勵磁進行增磁或弱磁，進而穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。當然，類似的技術(shù)也可以用在其他的定子永磁式發(fā)電機中[19,20]。

混合勵磁型永磁同步發(fā)電機一般以永磁勵磁為主，勵磁能耗低，又可以穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。其主要缺點是電機結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，設(shè)計較難（例如，須考慮永磁與電勵磁磁路的耦合、鐵心飽和、永磁體抗退磁等問題），制造比較繁瑣，成本較高。

（2）利用電樞電流實現(xiàn)弱磁/增磁。

永磁同步電機的電樞電流可分為d軸電流id和q軸電流 iq兩個分量。對于隱極電機而言，iq是有功分量，產(chǎn)生電磁功率；id是無功分量，可以增強或減弱電機氣隙中的磁場。對于凸極電機而言，id不僅能調(diào)節(jié)氣隙磁場，而且適當?shù)膇d也能產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩（即磁阻轉(zhuǎn)矩）。

利用id電流實現(xiàn)永磁同步電動機的弱磁運行，可以在電源電壓限制的前提下有效擴大電動機的運行速度范圍。相關(guān)研究早有報道[21-23]；近年來的研究更多，其應(yīng)用也日益廣泛。在永磁同步發(fā)電機中則相反，在轉(zhuǎn)速較高時利用id實現(xiàn)弱磁，進而穩(wěn)定發(fā)電機的輸出電壓。當然，在轉(zhuǎn)速較低時也可以利用id實現(xiàn)增磁。弱磁與增磁運行需要電機本體有此能力，因此跟電機設(shè)計密切相關(guān)。

盡管弱磁控制技術(shù)在永磁同步電動機中已有了很多應(yīng)用，而在永磁同步發(fā)電機中的應(yīng)用研究則比較少，但其基本原理是類似的[24,25]。圖3給出了按電動機原則取正方向時永磁同步發(fā)電機的相量圖，其中電壓相量（U）、電流相量（I）、d軸與 q軸電流相量（Id、Iq）、旋轉(zhuǎn)電動勢相量（E）滿足式（1）所示的關(guān)系，這里R、xd、xq分別是電樞繞組電阻、直軸電抗和交軸電抗。

圖3 利用電樞電流實現(xiàn)增磁與弱磁的原理Fig.3 Principle of field strengthening and weakening with armature current

從圖3可以看出，當永磁交流發(fā)電機工作在低速區(qū)時，旋轉(zhuǎn)電動勢幅值較小，這時饋入正值的id，d軸電樞反應(yīng)電動勢與旋轉(zhuǎn)電動勢同方向，維持電樞繞組的輸出電壓穩(wěn)定。反之，當永磁交流發(fā)電機工作在高速區(qū)時，旋轉(zhuǎn)電動勢較大，這時饋入負值的 id，d軸電樞反應(yīng)電動勢反向抵消旋轉(zhuǎn)電動勢，繼續(xù)維持輸出電壓穩(wěn)定。從物理意義上也可以理解為：當發(fā)電機工作在低速區(qū)時，正值的id產(chǎn)生與永磁勵磁同方向的磁動勢，增強氣隙磁場，從而抬升發(fā)電機輸出電壓至期望的穩(wěn)壓值。反之，當發(fā)電機工作在高速區(qū)時，負值的id產(chǎn)生與永磁勵磁反方向的磁動勢，削弱氣隙磁場，從而降低發(fā)電機輸出電壓至期望的穩(wěn)壓值。當然，在饋入id時，要同時調(diào)節(jié) iq，這樣既使發(fā)電機輸出合適的電功率，又保證電流幅值不超過極限值。而且，在增磁時要防止電機磁路過度飽和，在弱磁時要防止永磁體退磁損壞。另外，在設(shè)計永磁同步發(fā)電機本體時，需要設(shè)計較大的直軸電感Ld，這樣可以用較小的id產(chǎn)生足夠的電勵磁磁通對氣隙磁場進行有效調(diào)節(jié)。

這里又可以有兩類方法來為電樞繞組饋入所需的直軸電流 id，即用獨立的電力電子裝置和用系統(tǒng)本身的AC-DC裝置。

1）用獨立逆變裝置饋入直軸電流。

文獻[5]提出用不控二極管整流實現(xiàn) AC-DC變換，并用一個獨立的 PWM逆變裝置和電抗器（如圖4所示）為永磁同步發(fā)電機提供id，實現(xiàn)氣隙磁場的調(diào)節(jié)和輸出電壓的穩(wěn)定。這種控制方法有點類似于在交流電動機的繞組端部并接電容器進行功率因數(shù)補償，只不過這里是有源補償，并且目的不是使功率因數(shù)最大化，而是在寬運行速度范圍內(nèi)為發(fā)電機饋入合適的無功電流進行交流穩(wěn)壓。

圖4 用獨立逆變裝置饋入直軸電流的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Schematic of feeding of d-axis current with a separate inverter

文獻[26]提出了與圖 4類似思路的技術(shù)方案。這類系統(tǒng)的優(yōu)點是，發(fā)電機的有功功率只流經(jīng)相對便宜且大容量器件容易選取的二極管整流器，而不流經(jīng)該PWM逆變裝置，因此，該逆變裝置不需要是全功率的。該優(yōu)點對大功率發(fā)電機系統(tǒng)是很有效的，但是對中小功率系統(tǒng)就不再明顯，而其電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且直流電源的品質(zhì)較差。

2）用AC-DC裝置饋入直軸電流。

永磁同步發(fā)電機的直軸電流也可以直接采用可控的 AC-DC裝置來饋入到電樞繞組中，常見的就是全功率式PWM整流裝置[8,9]，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。目前兆瓦級的永磁風力發(fā)電機通常也采用全功率式背靠背雙變換器結(jié)構(gòu)[27,28]，其第一級是PWM整流，第二級是PWM逆變。

圖5 用AC-DC裝置注入直軸電流的結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Schematic of injection of d-axis current with the AC-DC equipment

PWM 整流技術(shù)廣泛應(yīng)用于從交流電網(wǎng)獲得直流電源的場合，其交流端本身是穩(wěn)壓的，控制對象僅是直流端穩(wěn)壓，即單端口穩(wěn)壓；因此，控制目標往往是交流端的功率因數(shù)最大化。但是，PWM 技術(shù)應(yīng)用到永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)中，系統(tǒng)狀態(tài)就有了很大的差別：發(fā)電機本體可以看作是有內(nèi)阻抗的交流電源，并且空載電動勢的頻率與幅值及內(nèi)阻抗都隨發(fā)電機轉(zhuǎn)速而顯著變化。因此，控制目標就不僅僅是交流端的功率因數(shù)最大化。

帶 PWM整流的永磁同步發(fā)電機與由逆變器供電的永磁同步電動機的結(jié)構(gòu)基本一致，控制方法也可借鑒（如矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等），PWM的產(chǎn)生方法也類似（如空間矢量PWM、電流滯環(huán)PWM等），只是發(fā)電機的交軸電流 iq為負值。文獻[8,9]提出利用 PWM 整流器控制發(fā)電機輸出電流的相位，使得 id=0；系統(tǒng)根據(jù)直流母線電壓的變化情況來控制 iq的絕對值大小，iq增大則系統(tǒng)有提升直流電壓的趨勢，反之亦然，因此通過閉環(huán)控制可以達到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。文獻[27,28]提出的 id和iq解耦控制可以實現(xiàn)功率因數(shù)、內(nèi)功率因數(shù)或單位電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的最大化。上述這些方法并沒有把通過id調(diào)節(jié)發(fā)電機氣隙磁場作為控制目標，因此表面上看都是單端口穩(wěn)壓控制。

但是，實際上只要PWM整流器能夠穩(wěn)定工作，永磁同步發(fā)電機的輸出線電壓就是典型的脈沖波形（與逆變器控制的永磁同步電動機端電壓波形類似），且其幅值自動被強制為直流電壓Udc。這時，永磁同步發(fā)電機的線電壓 uab、線旋轉(zhuǎn)電動勢 eab、電流（ia、ib、ic）及繞組參數(shù)滿足式（2），其中 L是繞組自感、M是互感。

對于隱極電機，式（2）還可以進一步簡化為

一般而言，旋轉(zhuǎn)電動勢和電流都是正弦形，而線電壓是脈沖波形，因此，線電壓與旋轉(zhuǎn)電動勢及繞組電阻壓降之間存在電壓差。從式（2）和式（3）可知，這個電壓差等于電感壓降，是由電流變化（即基波的正弦變化以及 PWM開關(guān)引起的紋波）造成的。很顯然，如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速過高或者過低，旋轉(zhuǎn)電動勢過大或過小，那么這個電壓差就不足以依靠電感壓降來補償，則PWM整流器就不能穩(wěn)定工作。所以，永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍是受到限制的。

為了擴大永磁同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速范圍，文獻[29]提出在高速時利用 PWM整流器為電樞繞組饋入具有弱磁性質(zhì)的直軸電流 id，可以有效擴展發(fā)電機的高速運行區(qū)域。該文獻給出了某電流幅值限幅為20A的樣機系統(tǒng)的仿真結(jié)果：在id=0時，要獲得50V的直流電壓，發(fā)電機所允許的最高轉(zhuǎn)速為30rad/s；在id=-5A時，要獲得同樣的直流電壓，發(fā)電機的最高轉(zhuǎn)速提高到50rad/s；而在id=-10A和id=-15A時，最高轉(zhuǎn)速分別可達75rad/s和120rad/s。當然，弱磁id的引入限制了 iq的最大值，因此也降低了給定轉(zhuǎn)速下所能獲得的最高直流電壓。顯然，要增加最高直流電壓，不能采用弱磁id，而應(yīng)將id設(shè)為0甚至正值（即增磁性質(zhì)）。但是，一般而言，通過增磁id來擴大永磁同步發(fā)電機的低速運行區(qū)域的效果不太明顯，這是因為低速區(qū)工作時基波頻率太低，式（2）中的電壓差的基波分量很難用電感壓降來補償。

所以，用于永磁同步發(fā)電機的PWM整流技術(shù)不應(yīng)單純地追求功率因數(shù)、內(nèi)功率因數(shù)或單位電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的最大化，還應(yīng)考慮用直軸電流分量來對永磁體起到弱磁作用，進而提高發(fā)電機的高速運行范圍。該方法對于轉(zhuǎn)速范圍很寬的永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)非常有效。

需要說明的是，在PWM整流時，雖然發(fā)電機輸出電壓的峰值始終是 Udc，但是其基波分量的大小還是隨著直軸電流的弱磁作用而變化的。因此，實際上適當?shù)?PWM整流可以使得在不同轉(zhuǎn)速下的發(fā)電機輸出電壓基波分量保持基本穩(wěn)定。

4 結(jié)論

永磁同步發(fā)電機具有諸多優(yōu)點，其應(yīng)用日益廣泛。在大多數(shù)應(yīng)用中，永磁同步發(fā)電機通過電力電子裝置提供直流電源（由此構(gòu)成基本的發(fā)電機系統(tǒng)），為直流負載供電，也可以再通過逆變裝置提供交流電源或并入交流電網(wǎng)。

傳統(tǒng)永磁同步發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)電動勢正比于轉(zhuǎn)速，因此，在變速、變負載系統(tǒng)中，發(fā)電機的輸出電壓不穩(wěn)定。基本永磁同步發(fā)電機系統(tǒng)可以是單端口穩(wěn)壓（即發(fā)電機輸出端不穩(wěn)壓，僅直流端穩(wěn)壓），也可以是雙端口穩(wěn)壓。單端口穩(wěn)壓控制一般適用于轉(zhuǎn)速變化范圍小的場合；若轉(zhuǎn)速變化范圍過大，則可能對功率器件的電壓或電流選型、濾波電容的電壓選型以及電機繞組的耐壓能力帶來負面影響。雙端口穩(wěn)壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制策略多樣，能有效克服單端口穩(wěn)壓系統(tǒng)的上述不足?？梢圆捎米冸姌欣@組的方式，但這種控制方式一般是有級的；而采用調(diào)節(jié)發(fā)電機氣隙磁場的方法可以實現(xiàn)無級控制。氣隙磁場的調(diào)節(jié)可以通過混合勵磁實現(xiàn)，也可以利用獨立的勵磁裝置或者系統(tǒng)本身的PWM整流裝置為發(fā)電機饋入適當?shù)闹陛S電流來實現(xiàn)。其中，以 PWM整流裝置調(diào)節(jié)氣隙磁場的方法可以精確地實現(xiàn)雙端口穩(wěn)壓，并可顯著提高系統(tǒng)的高速運行區(qū)域。

[1]Spooner E, Gordon P, Bumby J R, et al.Lightweight ironless-stator PM generators for direct-drive wind turbines[J]. IEE Proceedings Electric Power Applications,2005, 152(1): 17-26.

[2]閆耀民, 范瑜, 汪至中.永磁同步電機風力發(fā)電系統(tǒng)的自尋優(yōu)控制[J].電工技術(shù)學(xué)報,2002, 17(6):82-86.Yan Yaomin, Fan Yu, Wang Zhizhong.Selfoptimization control of PM synchronous wind turbine generator system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2002, 17(6): 82-86.

[3]Chinchilla M, Arnaltes S, Burgos J C.Control of permanent-magnet generators applied to variablespeed wind-energy systems connected to the grid[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(1): 130-135.

[4]占文濤, 何禮高.基于雙向 PWM 變換器的微燃機發(fā)電系統(tǒng)起動/發(fā)電控制研究[J].通信電源技術(shù),2009,26(1): 20-2 3.Zhan Wentao, He Ligao.Research on starter/generator control of micro-turbine generation system based on bidirectional PWM converter[J].Telecom Power Technology,2009,26(1): 20-2 3.

[5]吳義勇, 孫旭東, 柴建云.永磁磁阻發(fā)電機的電壓控制[J].電工電能新技術(shù),2006,25(4): 63-66.Wu Yiyong, Sun Xudong, Chai Jianyun.Voltage control of permanent-magnet/reluctance generator[J].Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy,2006,25(4): 63-66.

[6]周曉燕, 王金平, 唐任遠.新型車用永磁發(fā)電機的研制[J].微電機,2004, 37(6): 51-5 3.Zhou Xiaoyan, Wang Jinping, Tang Renyuan.Research on the new type permanent magnet automotive generator[J].Micromotors,2004, 37(6):51-5 3.

[7]Pennatini A, Bagnoli P E, Franchi E.AC series voltage regulator for permanent magnet generators[C].Proceedings of IEEE International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM’2010), Pisa, Italy,2010: 484-489.

[8]馬建偉.汽車用稀土永磁發(fā)電機的研究與展望[J].汽車電器,2010(8): 23-25.Ma Jianwei.Research and prospect on rare-earth permanent-magnet generator for vehicles[J].Auto Electric Parts,2010(8): 23-25.

[9]劉麗影, 李雪松, 張建成.飛輪儲能系統(tǒng)發(fā)電運行控制技術(shù)的研究[J].華北電力技術(shù),2007, (9): 8-10.Liu Liying, Li Xuesong, Zhang Jiancheng.Research on flywheel energy storage system on generator controlling technology[J].North China Electric Power,2007, (9): 8-10.

[10]周增福, 嚴仰光.寬電壓輸入范圍調(diào)節(jié)/變換裝置的建模與仿真[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報,2005,37(3): 365-370.Zhou Zengfu, Yan Yangguang.Modeling and simulation for a converter/regulator with a wide range of input voltage[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2005, 37(3): 365-370.

[11]蘆剛, 李聲晉, 張海南.770 N·m稀土永磁ISG電機設(shè)計[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,22(2): 129-13 2.Lu Gang, Li Shengjin, Zhang Hainan.A novel design for 42-volt 770N?m REPM ISG(integrated starter/generator)[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2004,22(2): 129-13 2.

[12]Javadi S, Mirsalim M.A coreless axial-flux permanent-magnet generator for automotive applications[J].IEEE Transactions on Magnetics,2008, 44(12): 4591-4598.

[13]Capponi F G, Terrigi R, Caricchi F, et al.Active output voltage regulation for an ironless axial-flux PM automotive alternator with electromechanical flux weakening[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2009, 45(5): 1785-179 3.

[14]陽朝輝, 黃守道, 劉嬌.寬范圍穩(wěn)壓的組合轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機[J].微特電機,2008, 36(8): 26-28.Yang Zhaohui, Huang Shoudao, Liu Jiao.The hybrid rotor synchronous generator operating constant voltage over a wide range of speeds[J].Small and Special Electrical Machines,2008, 36(8): 26-28.

[15]金萬兵, 張東, 安忠良, 等.混合勵磁永磁同步發(fā)電機的分析與設(shè)計研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2004,26(1): 26-29.Jin Wanbing, Zhang Dong, An Zhongliang, et al.Analysis and design of hybrid excitation permanent magnet synchronous generators[J].Journal of Shenyang University of Technology,2004,26(1):26-29.

[16]田小鵬, 顧全.一種改善永磁同步發(fā)電機電壓調(diào)整率的方案設(shè)計[J].電工技術(shù),2005, (2): 56-57.Tian Xiaopeng, Gu Quan.A scheme design of improving voltage adjustment rate of permanent magnet generator[J].Electric Engineering,2005, (2):56-57.

[17]Chau K T, Jiang J Z, and Wang Y, A novel stator doubly fed doubly salient permanent magnet brushless machine, IEEE Transactions on Magnetics,2003,39(5): 3001-300 3.

[18]Chau K T, Li Y B, Jiang J Z, et al.Design and control of a PM brushless hybrid generator for wind power application[J].IEEE Transactions on Magnetics,2006,42(10): 3497-3499.

[19]黃志文, 沈建新, 汪昱, 等.永磁開關(guān)磁鏈電機弱磁運行的結(jié)構(gòu)與性能[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2009, 43(3): 578-58 3.Huang Zhiwen, Shen Jianxin, Wang Yu, et al.Configuration and performance of permanent magnet flux-switching motors with consideration of flux-weakening operation[J].Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2009, 43(3):578-58 3.

[20]Zhu Z Q.Switched flux permanent magnet machines -innovation continues[C].Proceedings of 14th International Conference on Electrical Machines and Systems (ICEMS’2011), Beijing, China,2011: 1-10.

[21]Morimoto S, Takeda Y, Hirasa T, et al.Expansion of operating limits for permanent magnet motor by Current vector control considering inverter capacity[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1990,26(5): 866-871.

[22]Subhoff S D, Corzine K A, Hegner H J.A flux weakening strategy for current-regulated surfacemounted permanent-magnet machine drives[J].IEEE Transactions on Energy Conversion, 1995, 10(3):431-437.

[23]Chen J J, Chin K P.Minimum copper loss flux-weakening control of surface mounted permanent magnet synchronous motors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003, 18(4): 929-936.

[24]Song J H, Kim J M, Sul S K.A new robust SPMSM control to parameter variations in flux weakening region[C].Proceedings of 22nd IEEE International Conference on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation (IECON’1996), Taipei, Taiwan, 1996,2: 1193-1198.

[25]汪令祥, 張興, 張崇巍, 等.永磁同步風力發(fā)電機復(fù)合矢量控制策略研究[J].電力電子技術(shù),2010,44(2): 1- 3.Wang Lingxiang, Zhang Xing, Zhang Chongwei, et al.A complex vector control method for permanent magnet synchronous wind power generator[J].Power Electronics,2010, 44(2): 1- 3.

[26]Clements N, Venkataramanan G, Jahns T M.Design considerations for a stator side voltage regulated permanent magnet AC generator[C].Proceedings of IEEE International Conference on Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE’2009), San Joe,California, USA, Sept.20-24,2009,2: 2763-2770.

[27]姚駿, 廖勇, 李輝, 等.直驅(qū)永磁同步風力發(fā)電機單位功率因數(shù)控制[J].電機與控制學(xué)報,2010,14(6): 13-20.Yao Jun, Liao Yong, Li Hui, et al.Unity power factor control of a direct-driven permanent magnet synchronous wind-power generator[J]. Electric Machines and Control,2010, 14(6): 13-20.

[28]余浩贊, 王輝, 黃守道.基于無速度傳感器直驅(qū)風力發(fā)電運行控制研究[J].微特電機,2009, 37(1):50-54.Yu Haozan, Wang Hui, Huang Shoudao.Operation control of direct-driven wind-power generation system without speed sensor[J].Small and Special Electrical Machines,2009, 37(1): 50-54.

[29]Miao D M, and Shen J X.Simulation and analysis of a variable speed permanent magnet synchronous generator with flux weakening control[C].Proceedings of the 1st International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA’2012), Nagasaki,Japan,2012: 1-6.