SVPWM調制策略下永磁同步發電機損耗分析

張越雷+高劍+黃守道+彭婧+榮飛

摘 要：永磁同步發電系統中，發電機與PWM變流器直接相連，使永磁同步發電機諧波損耗增大，甚至會導致永磁材料不可逆去磁.針對該問題，本文利用AnSoft聯合仿真研究了基于矢量控制的SVPWM調制策略下，設置不同調制比與載波頻率對永磁同步發電機銅耗、鐵耗及轉子損耗的影響，并深入分析了損耗隨調制比與載波頻率變化的規律.仿真結果表明：SVPWM調制策略下的PMSG-PWM系統中，載波頻率一定時，隨著調制比的增大，永磁同步發電機銅耗、鐵耗及轉子損耗逐漸減小，且調制比每增加0.1對發電機銅耗的影響最大；調制比一定時，永磁同步發電機的銅耗、鐵耗及轉子損耗也逐漸減小，但載波頻率每增加1 kHz，對發電機鐵耗及轉子損耗的影響最大.研究結果為SVPWM調制策略下設定合理的調制比與載波頻率以保障永磁同步發電機的安全運行提供了參考.

關鍵詞：永磁同步發電機；空間矢量脈寬調制；調制比；載波比；諧波損耗

中圖分類號：TM315 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）10-0087-07

Abstract：Permanent magnet synchronous generator is directly connected with PWM converter in the wind power system based on direct-driven permanent magnet synchronous generator， which results in the increase of the stator losses of the permanent magnet synchronous generator， and even leads to the irreversible demagnetization of permanent magnet materials. To solve this problem， this paper analyzed the influence of amplitude modulation radio and frequency modulation radio on eddy current losses and stator losses of permanent magnet synchronous generator under SVPWM modulation. Finally， this paper compared the results of AnSoft simulation and Fourier analysis with the results obtained from the calculation models of this paper， which verifies the correctness of the calculation model proposed. The calculation models presented have reference value for setting proper amplitude modulation radio and frequency modulation radio under SVPWM modulation. This can ensure the safe operation of the permanent magnet synchronous generator.

Key words：PMSG； SVPWM； amplitude modulation radio； frequency modulation radio； harmonic losses

永磁同步發電機具有效率高、維護方便、控制性能優越等優點[1-2].因此，直驅式永磁同步發電技術逐漸成為余熱發電、測量傳動等領域研究的焦點并得到廣泛應用.

但對于直驅式永磁同步風力發電系統而言，永磁發電機與PWM變流器直接相連，使永磁同步發電機諧波含量增大，引起永磁同步發電機發熱，甚至會導致永磁材料不可逆去磁[3-4].因此對永磁同步發電機損耗的研究變得越來越重要.

文獻[5]分析了電機控制策略對電機損耗的影響，并提出矢量控制可以減小電機的損耗.文獻[6-7]在此基礎上，對基于id=0矢量控制下永磁電機的損耗進行了分析，提出id=0控制中id值與永磁電機的損耗大小之間的關系.文獻[8]同時兼顧矢量控制和電機損耗，對基于id=0矢量控制下永磁電機運行不同工況下的各區域損耗進行有限元分析.上述文獻具有較強的工程實用性，但文獻均沒有考慮矢量控制中調制參數對永磁同步發電機損耗的影響.

PWM調制會在電機中產生較大的諧波電流，從而使得電機定子磁動勢中的時間諧波增大，產生很多相對于定子以不同速度旋轉的諧波磁場，導致定子鐵心損耗增加.因此，對SVPWM調制下諧波分析是必要的.本文在上述文獻的研究基礎上，分析了基于矢量控制的SVPWM調制策略下，調制比與載波頻率對永磁同步發電機各區域損耗的影響，并應用AnSoft聯合仿真對SVPWM調制策略下調制比與載波頻率對永磁同步發電機諧波損耗影響的規律進行了研究.最后搭建了實驗平臺，將實驗結果與 AnSoft聯合仿真進行有限元數值計算的結果進行了對比，驗證了本文仿真結論的正確性.

2 永磁同步發電機諧波分析計算模型

2.1 永磁同步發電機諧波銅耗計算模型

電機運行時，定子繞組趨膚效應使導線的有效截面積減小，從而導致導線的等效電阻增加，特別是在高頻情況下，導線的電阻會隨著頻率的增加而顯著增加[10-11].基于矢量控制的SVPWM調制策略下，永磁同步電機諧波頻率較高，為準確計算銅耗，趨膚效應還應考慮不同頻率下的電阻增加系數.因此，永磁同步發電機諧波銅耗為[12]：

3 SVPWM調制下發電機損耗分析

3.1 仿真參數及AnSoft有限元模型

本文分析的永磁電機參數如表1所示，由于電機磁場呈周期性變換，為了研究SVPWM調制下設置不同調制比與載波頻率時，永磁同步電機損耗變化規律及所占比例，本文采用有限元分析軟件建立電機的1/8模型進行分析，模型如圖3所示.

為了研究SVPWM調制下設置不同調制比與載波頻率時，永磁同步電機定子鐵心各區域損耗的變化規律，本文對電機鐵心進行區域劃分，將其分為齒頂、齒身、齒根、齒軛4部分，其模型如圖4所示.

設置不同調制比與載波頻率時永磁同步電機鐵耗分布云圖如圖5所示.

根據上述仿真參數及模型，分別計算f=5 kHz，M=0.6，0.7，0.8，0.9及M=0.85，f=3 kHz，4 kHz，5 kHz幾種情況下永磁同步發電機定子電流，鐵耗、銅耗及轉子鐵心損耗與渦流損耗，并研究了損耗隨調制比與載波頻率的變化規律.

3.2 調制比對諧波損耗的影響

直驅式永磁風力發電系統中，為保證機側整流器采用SVPWM調制時處于線性可調制狀態，則機組直流母線電壓Edc與發電機線電壓幅值Ug之間必須滿足以下關系[13]

保持載波頻率f=5 kHz不變，M=0.6，0.7，0.8，0.9不同情況下，發電機定子電流及FFT電流畸變率分析結果如圖6所示.

對比圖6（a）～（d）， 根據定子電流波形及損耗隨M=0.6，0.7，0.8，0.9變化的規律可以看出，隨著調制比的增大，發電機定子電流的幅值逐漸減小，發電機定子電流畸變率也略有減小.但調制比變化主要影響發電機定子電流的幅值，而對電流的畸變率的影響很小.

保持載波頻率f=5 kHz不變，分別設定不同的調制比M=0.6，0.7，0.8，0.9，利用AnSoft計算發電機損耗的結果如表2所示.

綜合圖6與表2可知，當載波頻率一定時，隨著調制比的增大，由于發電機定子電流的幅值及畸變率均減小，因此， 當載波頻率一定時，隨著調制比的增大發電機的定子、銅耗、轉子損耗也減小.

由圖7所示不同調制比下損耗分布的情況可知，發電機銅耗占發電機額定功率的比重最大，為1.5%左右.而綜合圖6與表7可知，由于調制比變化主要影響發電機定子電流的幅值，而對電流的畸變率的影響很小.因此，圖7中調制參數M每增大0.1對銅耗的變化最大.

3.3 載波頻率對諧波損耗的影響

保持載波頻率M=0.85不變，在f=3 kHz ，4 kHz，5 kHz不同情況下，分析了發電機定子電流及FFT電流畸變率，其分析結果如圖8所示.

對比圖8（a）～（c）可知，隨著載波頻率的增大，發電機定子電流畸變率增大，相比圖6，載波頻率變化對發電機定子電流的幅值沒有影響.

保持調制比M=0.85不變，分別選取載波頻率f=3 kHz ，4 kHz ，5 kHz，針對不同的f取值，計算電機各部分的損耗，其結果如表3與圖9所示.

綜合表3與圖9可知，當調制比一定時，隨著載波頻率的增大，發電機的定子鐵耗、銅耗、轉子損耗均減小.對比f=3 kHz，kHz，5 kHz不同載波頻率下損耗的大小可以看出，發電機銅耗占發電機額定功率的比重最大，為1.4%左右.但由于載波頻率主要影響定子電流的畸變率，因此載波頻率對定子鐵心損耗與轉子損耗的影響最大，對銅耗的影響最小.

4 結 論

本文應用AnSoft聯合仿真進行有限元數值分析研究了基于矢量控制的SVPWM調制策略下，調制比與載波頻率對永磁同步發電機各區域損耗的影響.結果表明，調制比與載波頻率增大，永磁同步發電機的鐵耗、銅耗及轉子損耗均減小.當載波頻率一定時，調制比每增大0.1對發電機銅耗的影響最大；而調制比一定時，載波頻率每增加1 kHz，對發電機鐵耗及轉子損耗的影響最大.本文的研究結果為SVPWM調制策略下設定合理的調制比與載波頻率以保障永磁同步發電機的安全提供了參考.

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