基于永磁同步發電機可控整流穩壓發電系統研究

牛建民，盧亞輝，徐保榮

（中國人民解放軍32184部隊，北京 100071）

0 引言

永磁同步發電機電源系統的發電機常由發動機帶動輸出電能，發電機輸出電壓與頻率基本與其轉速成正比，輸出電壓幅值也會隨輸出端負載的變化而波動，這使得寬轉速、寬功率變化范圍內的恒壓發電控制成為急需解決的問題。雙環可控整流發電系統即電壓外環、電流內環可控整流發電系統，是一種常見的獨立電源系統恒壓發電控制策略。雙環可控整流發電系統在恒轉矩區及輕度弱磁區可穩定控制，當轉速升高后，發電機反電勢大于直流母線電壓，交直軸電流調節器就會震蕩導致不穩定[1-3]，系統難以實現高速深度弱磁運行。

本文采用小信號模型法對雙環可控整流發電系統穩定性進行了分析，得出了影響系統穩定的PI參數區間。驗證了雙環可控整流發電系統在恒轉矩區及輕度弱磁區可實現較好的控制效果，但隨著電機轉速上升，系統難以實現高速深度弱磁運行，PI參數對系統穩定性有較大影響[4-5]。

在此基礎上提出了采用基于電流幅值控制的直接電壓角度可控整流發電方式去掉電流內環，從根本上解決了電流環交叉耦合及飽和失控問題，實現深度弱磁運行，并實現了低速運行時雙環可控整流發電與高速弱磁時直接電壓角度之間的平滑切換。通過仿真與實驗驗證，該方法可實現永磁同步電機在寬轉速、寬功率變化范圍內的恒壓發電輸出。

1 雙環發電控制及其穩定性

永磁同步發電機（PMSG）電壓方程為：

PMSG發電系統通過電壓環調節電流指令，再通過電流環調節完成內環控制，構成雙環調節系統，如圖1所示。

圖1 PMSG雙環控制框圖

由式（1）可得：

將式（2）變換到s域內，則：

將式（3）變形可得：

對電機轉矩方程進行小信號分析，則：

其中：

變換到s域內，則：

對輸出功率進行小信號分析，則：

將式（11）變換到s域內，則：

解得：

其中：

得出穩態工作點。

將式（9）變換到s域內，則：

對式（12）進行小信號分析，并變換到s域，則：

其中：

為簡化分析，忽略電機模型中交叉耦合影響（實際中可以通過解耦控制實現），假設系統電機為隱極機，則Ld＝Lq，Km＝0，可得出系統閉環傳遞函數框圖如圖2所示。

圖2 雙環控制系統傳遞函數

可得到簡化的系統小信號模型為：

通過計算并簡化系統的特征方程，由經典控制理論可知，對于線性定常系統可以用勞斯判據來分析系統的穩定性。根據勞斯判據，可分析系統穩定的充分必要條件。

在電機參數已知如表1 所示的情況下，可以分析PI 參數對系統穩定性的影響，從而指導實際系統中PI 參數的設計。以電壓外環PI 參數為例，當kpu＞0.001 34 時，系統所有特征根位于s 平面左半側，可以穩定運行，系統根軌跡如圖3所示。

通過參數選取可知，雙環可控整流發電系統在恒轉矩區及輕度弱磁區可實現較好的控制效果，但隨著電機轉速上升，系統難以實現高速深度弱磁運行，PI 參數對系統穩定性有較大影響。

選取電機及系統參數如表1所示。

圖3 kpu為參量系統根軌跡

表1 電機及系統參數

在穩態工況下，當轉速一定時，電壓工作點與電流工作點之間具有一一對應關系，并應滿足下式所示的電壓矢量幅值關系以及電流極限方程。

對式（16）進行處理得出下式：

在恒壓發電控制過程中，恒壓控制要求電壓保持不變，若此時轉速同樣保持不變，則在式（17）中電壓橢圓應保持不變，而采用雙環電流控制的方式就要求通過電流控制器調節實現電流工作點與電壓工作點之間的對應，如圖4所示。

圖4 電流平面內電流環恒壓控制工作軌跡

由此可以看出，采用電流內環控制電流工作點在電流平面內沿著電壓橢圓移動，當轉速升高，仍保持恒壓輸出恒功率輸出時，電壓橢圓變小，然而恒功率輸出要求電流圓保持不變，就會造成轉速升高后穩定區域變小，直至失穩。

2 電壓角度控制

由電壓矢量可得交直軸電壓為：

基于電壓角度控制即用調節器得出電壓角度，再由電壓矢量得到交直軸電壓，如圖5所示。

圖5 電壓角度控制框圖

在電壓角度控制中，外環電壓環內環通過電流調節器得到電壓角度。直流側電壓給定與檢測到的直流側電壓實際值做差構成電壓外環，輸出空間電壓矢量vs與d軸的夾角β，進而計算出ud和uq。

建立系統小信號模型，推導閉環傳遞函數[6-7]為：

其中：

根據勞思判據，系統穩定條件的充分條件為：

3 切換控制

雙環可控整流發電系統與直接電壓角度控制發電系統之間存在控制狀態切換，用VAC_flag表示兩種系統的切換狀態：

（1）初始狀態VAC_flag＝0；

（3）VAC_flag＝0時，系統運行雙環控制算法；VAC_flag＝1時，系統運行電壓角度控制算法。

在工程應用中，永磁同步發電機電源系統跟隨響應發動機轉速，需要具備寬轉速、寬功率變化范圍內的恒壓發電控制能力。通過圖6切換控制技術，在低速運行時，系統運行雙環控制算法，滿足切換要求時，系統運行直接電壓角度控制算法。

圖6 切換控制邏輯框圖

4 仿真結果

在Simulink平臺搭建仿真系統，仿真參數如表1所示。仿真中，轉速從1 000 r/min 升高至3 300 r/min，再降回1 000 r/min，系統穩壓輸出270 V，如圖7 所示，滿足轉速變化時發電輸出穩壓需求。

圖7 輸出電壓波形

5 實驗結果

實驗中，電機參數如表1 所示，實驗輸出功率為15 kW，轉速從1 000 r/min升高至最高轉速3 300 r/min。圖8所示為電機相電壓波形、輸出電壓波形及電機相電流波形。系統完成了從雙環可控整流發電系統到直接電壓角度發電系統之間控制狀態的平滑切換，且在高速深度弱磁狀態下，電壓波形平穩，滿足寬轉速范圍下恒壓發電需求，同時其內環參數滿足系統穩定的充分條件。

圖8 穩態波形

6 結束語

本文針對雙環可控整流發電系統隨著電機轉速上升存在穩定性的問題，通過推導雙環可控整流發電系統穩定性，指出了PI參數對雙環發電系統穩定范圍的影響；提出了采用基于電流幅值控制的直接電壓角度可控整流發電；實現了深度弱磁運行及低速運行時雙環可控整流發電與高速弱磁時直接電壓角度之間的平滑切換。通過仿真與實驗驗證，該方法可實現永磁同步電機在寬轉速、寬功率變化范圍內的恒壓發電輸出。