多相發電機仿真與研究

毛翔 葉奇 呂新知 李玉姣 韓劍波

摘 要

傳統的同步發電機采用三相同步發電機，隨著風電機組單機功率的提升，采用多相電機的優勢逐漸明顯，包括實現低壓大功率輸出、減少轉矩脈動、增加系統運行冗余度等。本文在分析多相電機數學模型的基礎上，給出了基于多相電機的風電變流器的電機側、電網側控制策略。在Matlab/Simulink中建立模型開展仿真研究，所建立的多相電機風力發電模型運行平穩，結果驗證了研究的有效性和可行性。

關鍵詞

多相電機;風力發電;變流器

中圖分類號： TM614 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.067

Abstract

Traditional synchronous generator is three-phase synchronous motors.With the increase of the stand-alone power of wind turbines，the advantages of using multi-phase motors are gradually obvious，including low-voltage high-power output，reduced torque ripple，and increased system operation redundancy.Based on the analysis of the mathematical model of the multiphase motor，this paper presents the motor-side and grid-side control strategies of the wind turbine converter based on the multiphase motor.A model was established in Matlab/Simulink for simulation research.The established multi-phase motor wind power model runs smoothly，and the results verify the validity and feasibility of the study.

Key Words

Polyphase motor;Wind power;Converter

0 引言

傳統發電機常采用三相同步電機，利用水能或燃燒熱量推動葉輪旋轉帶動轉子切割磁力線產生電能。近年來，新能源發電發展迅猛，風電行業迎來增長高峰。隨著風電機組單機功率的不斷增大，多相電機應用于發電領域的優勢逐漸明顯。首先，對于多相電機，隨著相數的增加，每相繞組的磁鏈或反電動勢會成比例降低，供電電壓會隨之下降，可實現低壓大功率輸出。其次，在普通的三相電機中，因氣隙磁動勢5次諧波與基波相互作用而產生6次轉矩脈動。而在六相電機中，最低次諧波隨著電機相數的增加而提高，脈動頻率提高，轉矩脈動大為降低。最后，傳統三相電機某相故障時，無法繼續運行。多相電機內部有多套獨立繞組，如某一套繞組發生故障，其他繞組可匹配容錯控制策略繼續工作，實現風電機組降功率輸出，提高了整個系統的可靠性和冗余度。本文以六相電機為例，開展多相發電機仿真研究。

1 電機模型

六相永磁同步發電機由永磁體、六相定子繞組、外殼等部分組成。六相定子繞組由兩套中性點獨立的Y型繞組疊加形成，其相互疊加的角度可以為0°、30°或60°，如圖1所示。本文選擇雙Y 30°相帶繞組作為研究對象。如圖1中間圖所示，第一套ABC繞組和第二套abc繞組中性點相互獨立，之間相隔30°角。

六相電機在自然坐標系下的方程非常復雜，是一個強耦合系統。根據從自然坐標系到兩相旋轉坐標系下的坐標變換和電路等效，可簡化如圖2。

圖2中，帶d1和d2下標的量分別代表六相電機兩套繞組在兩相旋轉坐標系d軸下的分量，帶q1和q2下標的量分別代表六相電機兩套繞組在兩相旋轉坐標系d軸下的分量。帶d和q下標的量分別代表將六相電機雙繞組等效為單繞組后在d軸、q軸下的分量。Rs為定子繞組，L1l、L12l、Lm為繞組漏感。

2 控制策略

在六相電機等效模型基礎上，可以將六相電機等效成兩套發電機進行控制，本研究選用雙母線PWM變流器控制。兩套PWM變流器結構和功能相同，但直流母線相互獨立。變流器中的電機側部分對六相電機進行轉速控制，以實現風力的最大功率跟蹤;電網側部分維持母線電壓恒定，同時使變流器發出的電壓和電流維持在功率因數1狀態，保證與工頻電網的順利并網。

電機側變流器控制為轉矩、電流雙閉環控制。轉矩外環用來控制六相電機發出的功率，電流內環用來控制d軸電流為零。電機側變流器控制方程為：

3 多相電機仿真

根據第1部分建立的六相電機模型開展仿真分析。電機參數為定子電阻Rs=0.5Ω，Lmd=Lmq=8.44mH，定子繞組漏感L1l=0.17mH，兩套繞組之間互漏感L12l=0.48mH。電機級對數np=8，轉子磁極磁鏈ψf=1.2V·s。以轉速為給定量，在0.5s時給定轉速由0開始上升，0.25s時達到額定轉速的80%，0.45s時再降為額定轉速的60%。

電機輸出的六相電壓UA、UB、UC、Ua、Ub、Uc如圖3所示，可以看出電機輸出的電壓為六相，波形為正弦波。

將第一套繞組A相電流iA和第二套繞組a相電流ia作對比，可以看出兩者變化一致，且相差一定的電角度。

4 發電系統仿真

根據第2部分建立的電機側變流器、電網側變流器模型，建立多相發電機系統仿真模型。設定風機初始給定轉矩為220N·m，在0.5秒的時候變為原來的80%，到0.8秒時再恢復到初始值，設定變流器母線電壓設定為600V。觀察模型運行情況。

圖5為雙母線PWM變流器直流母線電壓波形，可以看出，在外界風能變換時，系統母線電壓能保持600V恒定，且恢復時間短，相應跟蹤能力迅速，電壓外環控制有效。

圖6為六相電機兩套繞組電流波形，可以看出，兩者幅值相同、變換一致，證明了兩套PWM變流器控制效果一致，且電壓內環控制有效。

5 結束語

本文針對多相發電機進行了仿真和研究。以六相電機為例，分析了電機數學模型，并結合風電變流器進行了控制策略推導。所建立的模型運行平穩，系統動態特性良好，電壓、電流波形規整，為多相發電機的應用推廣奠定了良好的理論基礎。

參考文獻

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