混合勵磁同步發(fā)電機交流勵磁的矢量控制

劉明基，張曉燕，李 理

(華北電力大學，北京102206)

0 引 言

永磁發(fā)電機由于具有高功率密度、高可靠性、小體積等優(yōu)點，在節(jié)能方面具有獨特的優(yōu)勢，但其磁場不易調(diào)節(jié)，導致輸出電壓隨轉(zhuǎn)速或負載變化而變化，影響供電質(zhì)量［1］。混合勵磁同步發(fā)電機(以下簡稱HESG)在永磁發(fā)電機的基礎上加入輔助電勵磁，通過調(diào)節(jié)電勵磁磁場維持輸出電壓穩(wěn)定。HESG 在車載獨立電源和備用電源方面擁有廣闊的應用前景［2］。

目前大量研究中的HESG 主要區(qū)別在于勵磁結(jié)構(gòu)的不同，輔助勵磁普遍采用直流勵磁。文獻［3］提出的磁分路式徑向結(jié)構(gòu)混合勵磁同步發(fā)電機存在徑向磁通和軸向磁通，利用磁分路結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)氣隙磁場大小，勵磁繞組放置于固定在電機端殼上的導磁環(huán)中，實現(xiàn)了無刷勵磁;但軸向磁路存在附加氣隙。文獻［4］中的雙定子混合勵磁同步發(fā)電機在轉(zhuǎn)子內(nèi)設計了一個內(nèi)定子和一套直流無刷勵磁裝置，嵌放有勵磁繞組的勵磁支架固定在電機端殼上，實現(xiàn)無刷勵磁。文獻［5］中混合勵磁發(fā)電機的勵磁繞組裝在轉(zhuǎn)子上，采用旋轉(zhuǎn)整流器實現(xiàn)勵磁無刷化，但結(jié)構(gòu)較為復雜。

本文提出一種直接采用交流勵磁的HESG 結(jié)構(gòu)［6］，介紹了HESG 的結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了HESG 的數(shù)學模型，提出一種利用電壓空間矢量將電勵磁磁場定向于d 軸，實現(xiàn)用最小的電勵磁電動勢得到最佳電壓調(diào)整量的控制方法，并對勵磁控制系統(tǒng)進行仿真研究。

1 HESG 的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 HESG 的結(jié)構(gòu)

本文提出的HESG 的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，該發(fā)電機在同一機殼內(nèi)有永磁電機和電勵磁結(jié)構(gòu)兩部分組成，兩部分沿軸向并列安裝，磁路彼此獨立，但共用一套定子電樞繞組，電樞繞組為常規(guī)的三相對稱繞組。永磁部分為傳統(tǒng)的表面磁鋼或內(nèi)置式永磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)。電勵磁部分采用交流勵磁結(jié)構(gòu)，電勵磁定子鐵心上三相勵磁繞組與電樞繞組嵌放在同一定子槽內(nèi)，并具有相同的分布形式和極對數(shù)(如圖2 所示)，電勵磁繞組和電樞繞組之間是類似于變壓器原、副邊繞組之間的強耦合關系，電勵磁效率高。在電勵磁部分的定子鐵心內(nèi)圓增加導磁環(huán)作為內(nèi)磁軛，為電勵磁磁場和電樞電流磁場提供通路［6－7］。這種HESG 相對直流勵磁的HESG 在控制方式上稍復雜，但其結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)無刷勵磁，由于采用并列結(jié)構(gòu)，永磁體不存在由于輔助勵磁引起退磁的危險，并且電勵磁部分沒有工作氣隙和附加氣隙，電勵磁效率高。

圖1 并列結(jié)構(gòu)HESG 的結(jié)構(gòu)圖

圖2 HESG 中電樞繞組與勵磁繞組分布示意圖

1.2 工作原理

混合勵磁發(fā)電機中，永磁發(fā)電機部分承擔主要的功率輸送和端電壓輸出，電勵磁部分用于輔助調(diào)節(jié)發(fā)電機端電壓穩(wěn)定。輔助勵磁的三相勵磁繞組中通入對稱的勵磁電流，在電勵磁部分的空間中形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，與永磁電機部分永磁體產(chǎn)生的磁場軸向并列分布，這兩部分磁場分別在電樞繞組中感應電動勢和，相量相加后得空載電動勢，如式(1)所示。永磁轉(zhuǎn)子以內(nèi)置式永磁體為例的HESG 電動勢平衡方程式如式(2)所示?？梢钥闯?，當負載變化時，輸出電壓也隨之變化，通過調(diào)節(jié)交流勵磁電流的大小和相位，即調(diào)節(jié)電樞繞組中電勵磁感應電動勢的大小和相位，保證輸出電壓穩(wěn)定［6］。

式中:Xd、Xq分別為直軸、交軸同步電抗;Id、分別為電樞電流的d、q 軸分量。

2 HESG 的數(shù)學模型

本文提出的混合勵磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)特殊，相比傳統(tǒng)永磁發(fā)電機在電勵磁部分的定子上增加了三相勵磁繞組;與雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型有相似之處［8］，但和雙饋發(fā)電機的區(qū)別在于后者提供勵磁的轉(zhuǎn)子繞組是旋轉(zhuǎn)的，而本文HESG 的勵磁繞組是固定不動的。因此該HESG 的數(shù)學模型可以參考永磁發(fā)電機和雙饋發(fā)電機的數(shù)學模型來建立。理想條件下規(guī)定，電樞繞組電壓、電流正方向取發(fā)電機慣例，勵磁繞組電壓、電流正方向取電動機慣例［9］。永磁部分以內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為例，混合勵磁發(fā)電機在d、q 同步旋轉(zhuǎn)坐標系下的磁鏈方程:

電壓方程:

電磁轉(zhuǎn)矩和運動方程:

式中:uds、uqs為電樞電壓的d、q 軸分量;udf、uqf為勵磁電壓的d、q 軸分量;ids、iqs為電樞電流d、q 軸分量;idf、iqf為勵磁電流d、q 軸分量;Lds、Lqs為電樞繞組的d、q 軸電感;Lf為勵磁繞組電感;Lm為電樞繞組和勵磁繞組之間的互感;Rs為電樞繞組電阻;Rf為勵磁繞組電阻;ω 為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角速度;ψmf為永磁體磁鏈;p 為電機極對數(shù);Tem為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。

3 交流勵磁控制策略

將電勵磁部分產(chǎn)生的磁場定向于d 軸，即與永磁體的磁場同相位或反相位，這兩部分磁場在電樞繞組中感應的電動勢同相位或反相位，可直接進行標量疊加得到空載電動勢E0，即:

當輸出電壓變化時，僅需改變電勵磁電動勢的大小保證輸出電壓穩(wěn)定，用最小的電勵磁電動勢得到最佳電壓調(diào)整量。在圖3 所示的HESG 電動勢相量圖中，電勵磁電動勢與永磁電動勢不同相位，為得到同樣大小的合成電動勢E0，需要調(diào)節(jié)的電勵磁電動勢E'0e比同相位時的E0e大，即E0e＜E'0e。當輸出電壓低于給定電壓，調(diào)節(jié)勵磁電流使之產(chǎn)生的電勵磁磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場同相位，起增磁作用，如圖3(a)所示;當輸出電壓高于給定電壓，調(diào)節(jié)勵磁電流使之產(chǎn)生的電勵磁磁場與永磁體產(chǎn)生的磁場反相位，起去磁作用，如圖3(b)所示。

圖3 HESG 的電動勢調(diào)整相量圖

本文提出一種利用電壓空間矢量將電勵磁磁場定向于d 軸的控制策略。當混合勵磁發(fā)電機的三相電勵磁繞組施加正弦電壓時，用合成空間矢量表示的勵磁電壓方程:

式中:Uf、If和ψef分別為勵磁繞組三相電壓、電流和磁鏈的合成空間矢量。

忽略勵磁繞組的電阻壓降，勵磁電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的近似關系:

由式(8)可知，當勵磁電壓頻率一定，電勵磁磁鏈ψef的大小幾乎決定于所加電勵磁電壓空間矢量Uf的大小，并且在方向上Uf超前ψef90°［10］。

混合勵磁發(fā)電機勵磁控制系統(tǒng)的原理圖如圖4所示。在圖4 中，檢測到的發(fā)電機輸出電壓和電壓指令作比較，經(jīng)PI 控制器，輸出勵磁電壓調(diào)節(jié)量的大小;檢測永磁磁鏈的位置，并在此基礎上加90°作為勵磁電壓調(diào)節(jié)量的方向，根據(jù)勵磁電壓空間矢量與勵磁磁鏈空間矢量之間的關系，可知此時電勵磁磁鏈與永磁磁鏈在同一直線上，從而將電勵磁磁場定向在d 軸。確定勵磁電壓調(diào)節(jié)量的大小和方向后，可得到復數(shù)表示的勵磁電壓調(diào)節(jié)量的空間矢量值，經(jīng)過SVPWM 輸出開關信號驅(qū)動三相電壓型逆變器，通過改變SVPWM 開關信號的脈沖寬度，控制勵磁繞組中的交流勵磁電壓的相位和大小，最終使發(fā)電機輸出電壓跟蹤給定電壓指令。

圖4 HESG 勵磁控制系統(tǒng)原理圖

4 仿真研究及結(jié)果分析

4.1 混合勵磁同步發(fā)電機的MATLAB 模型

根據(jù)式(3)～式(5)建立混合勵磁發(fā)電機的仿真模型，為了將仿真模型封裝成與實際電機相同的輸出形式，在模型的輸入端和輸出端增加坐標變換環(huán)節(jié)，將d、q 坐標系下的兩相電壓變換為三相電壓。為了與發(fā)電機的電氣負載連接，使用受控電壓源模塊，實現(xiàn)數(shù)學模型與電路拓撲模型的轉(zhuǎn)換［11］。建立的發(fā)電機仿真模型如圖5 所示，其中核心子模塊Subsystem 根據(jù)HESG 的數(shù)學模型搭建，在封裝后的子模塊對話框中可對發(fā)電機中的各參數(shù)進行設置。

圖5 HESG 的MATLAB 模型

4.2 勵磁閉環(huán)控制系統(tǒng)的仿真及結(jié)果分析

為了驗證所建立的HESG 仿真模型及提出的勵磁控制策略的正確性，運用MATLAB/Simulink 進行仿真分析。HESG 仿真參數(shù)設置如表1 所示。電壓指令設置為220 V，額定負載10 kW，功率因數(shù)0.8，并使HESG 在不同時刻切換為不同負載，負載切換情況如表2 所示?；旌蟿畲虐l(fā)電機應用于獨立供電系統(tǒng)時，首先需要空載起動，當達到一定轉(zhuǎn)速時再切入勵磁控制回路，發(fā)電機輸出恒壓恒頻的端電壓后投入負載。仿真中，積分環(huán)節(jié)模擬發(fā)電機的起動過程，當輸出的空載電壓達到220 V 時，投入勵磁控制回路。通過永磁發(fā)電機的設計，確定HESG 的勵磁工作點，使HESG帶50%額定負載時，僅依靠永磁部分勵磁，電勵磁部分提供的磁鏈為0，確定此時永磁體磁鏈ψmf=1.082 Wb。

表1 HESG 仿真參數(shù)

為了對比研究HESG 和永磁同步發(fā)電機(以下簡稱PMSG)在相同負載變化情況下輸出電壓情況，在另一模型中僅將HESG 的勵磁電壓設置為0，勵磁繞組與電樞繞組之間的互感Lm近似設置為0，此時HESG 相當于PMSG。HESG 和PMSG 仿真得到的輸出電壓有效值如圖6 所示?？梢钥闯?，PMSG的輸出電壓隨負載變化而變化;HESG 的輸出電壓穩(wěn)定在220 V，每次負載變化時，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對勵磁電壓進行調(diào)節(jié)保證了HESG 輸出電壓的穩(wěn)定，勵磁系統(tǒng)每次調(diào)整后輸出電壓的穩(wěn)態(tài)誤差為0。由圖6 的放大圖還可看出，在7 s 時刻，發(fā)電機所帶負載由80%額定負載變化為滿載，HESG 輸出電壓的超調(diào)量為1.5%，調(diào)整時間為0.7 s，表明該控制系統(tǒng)具有良好動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能?；旌蟿畲虐l(fā)電機經(jīng)勵磁控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)，輸出電壓能夠較好地跟蹤給定電壓，解決了永磁發(fā)電機輸出電壓不易調(diào)節(jié)問題。

圖6 HESG 和PMSG 輸出電壓有效值

本文提出的控制策略是利用勵磁電壓空間矢量的調(diào)節(jié)將電勵磁磁場定向于d 軸，即ψef=ψdf，ψqf=0。根據(jù)式(2)，忽略勵磁繞組電阻壓降，穩(wěn)態(tài)時，udf≈0，uqf≈ωψef，即勵磁電壓d 軸分量為0，勵磁電壓q 軸分量與電勵磁磁鏈成正比。

圖7 給出了勵磁電壓d、q 軸分量的變化曲線。仿真系統(tǒng)切入勵磁回路前，勵磁電壓d、q 軸分量均為0，負載變化時勵磁電壓d 軸分量始終為0，q 軸分量隨負載變化，驗證了所提出的控制策略確實將電勵磁磁鏈定向在d 軸，實現(xiàn)用最小的電勵磁電動勢達到最佳電壓調(diào)整量。根據(jù)混合勵磁發(fā)電機的設計，空載時，輔助電勵磁需起強去磁作用，圖7 中穩(wěn)定后的勵磁電壓q 軸分量為－35.2 V，電勵磁部分提供較大的反向磁場;帶50%額定負載時，僅依靠永磁部分勵磁就能輸出額定電壓，勵磁電壓q 軸分量為0，電勵磁部分提供的磁鏈為0;帶80%額定負載和額定負載時，輔助電勵磁需起增磁作用，勵磁電壓q 軸分量分別為22 V 和36.9 V，電勵磁部分提供正向磁場。HESG 勵磁電壓的具體調(diào)節(jié)情況如表2 所示，仿真結(jié)果與理論分析相一致。

圖7 HESG 勵磁電壓d 軸及q 軸分量

表2 HESG 勵磁電壓調(diào)節(jié)情況

5 結(jié) 語

(1)提出了一種直接采用交流勵磁的混合勵磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)，詳細介紹了其結(jié)構(gòu)特點和電壓調(diào)節(jié)原理。

(2)在建立的混合勵磁同步發(fā)電機d、q 坐標系下數(shù)學模型的基礎上，提出利用勵磁電壓空間矢量對電勵磁磁場進行定向于d 軸的控制策略。分析表明，該控制策略用最小的電勵磁電動勢實現(xiàn)了最佳電壓調(diào)整量，并且電勵磁磁鏈與勵磁電壓q 軸分量uqf成正比，發(fā)電機輸出電壓的調(diào)節(jié)取決于勵磁電壓的q 軸分量。

(3)對發(fā)電機及勵磁控制系統(tǒng)進行建模、仿真。仿真結(jié)果與理論分析相一致，負載變化時，輸出電壓能夠跟蹤給定電壓為負載提供恒定電壓，并且該系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能。

本文為交流勵磁混合勵磁同步發(fā)電機控制策略研究、建模和仿真提供了一種有效的方法，為后續(xù)實際控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)奠定了理論基礎。

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