CN103414422A - 永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步发电机直接交轴磁链控制装置及其方法。该方法直接根据电机转矩控制要求选择最优的电压矢量实现对电机转矩的直接控制，通过对电机定子磁链幅值的动态限制实现发电机宽转速范围发电功能。针对直接交轴磁链控制条件下发电机转矩和定子磁链变化的特点，根据电压矢量和电机交轴磁链之间的关系，选择交轴分量最优的电压矢量来控制电机转矩；根据电机转速运行要求，选择定子磁链切线方向分量最优的电压矢量来限制定子磁链幅值，保证发电机宽转速稳定运行，控制过程中不涉及旋转坐标变换，对转子位置要求不高。该方法应用于永磁同步电机发电系统，能实现发电机宽转速范围稳定运行。

Description

永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置及其方法

技术领域

本发明所涉及的是一种适用于永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置及其方法，属永磁同步发电机控制应用方法。

背景技术

随着石油、煤炭等不可再生能源的逐步枯竭，以及化石燃料在使用过程中带来的环境污染以及所引起的温室效应等问题，促使世界各国纷纷开展了可再生能源技术的研究。其中，风力发电技术由于不消耗一次能源，安全可靠，清洁环保无污染等特点受到了广泛关注。而作为风力发电系统中的重要组成部分——发电机控制系统，其控制性能的好坏将直接影响整个发电系统的运行品质。

和双馈发电机以及笼形异步发电机相区别，永磁同步发电机转子磁链由永磁体单独产生，不需要转子励磁电流，因此永磁同步发电机具有效率高，功率密度高等诸多优点。特别是随着稀土永磁材料的加工制造技术，电机设计制造技术以及电机控制技术的不断发展，永磁同步电机发电技术正日益受到人们的重视。目前永磁同步电机发电技术仍然以矢量控制为主，矢量控制通过对电机电流的控制来间接控制电机转矩，控制性能的好坏严重依赖于电机参数和磁场定向的准确程度，一旦电机参数随运行情况发生显著变化将直接影响电流环的控制效果，进而对发电性能产生不利影响，此外，为了实现准确的磁场定向，需要安装精密的位置传感器，这对电机的安装提出了较高的要求，而一旦发电机运行过程中位置传感器发生故障，将直接导致整个系统无法工作，因此，基于矢量控制的发电技术的性能的发挥受到很多因素的限制。

发电机控制的本质是控制其转矩，而直接转矩控制方法直接以电机转矩为控制目标，对电机参数依赖小，不要求严格的磁场定向，具有优良的动态响应性能，因此，有学者将直接转矩控制方法应用于永磁同步发电机控制中。但从实现过程来看，采用的仍然是定子磁链幅值和转矩双闭环的控制结构，即在控制定子磁链幅值恒定的条件下通过控制转矩角实现对电机转矩的直接控制，由于发出的电压矢量要同时满足转矩和磁链幅值的调节要求，因此，在控制过程中无法实现对电机转矩和磁链的解耦控制，这直接影响了转矩控制性能，同时，由于控制定子磁链幅值恒定，限制了发电机的宽转速范围高效率运行。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种适用于永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置及其方法。该方法直接根据电机转矩控制要求选择最优的电压矢量实现对电机转矩的直接控制，通过对电机定子磁链幅值的动态限制实现发电机宽转速范围发电功能。控制过程中能够实现对电机转矩和磁链的解耦控制，同时，不涉及旋转坐标变换，对转子位置要求不高，易于实现无传感器运行。

为实现上述目标，本发明装置采用的技术解决方案是：

永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置，包括原动机、永磁同步发电机、功率变换器、变换器控制信号处理单元、数字信号处理器、模数转换器、电流传感器和电压传感器，原动机拖动永磁同步发电机发电，永磁同步发电机与功率变换器串联，功率变换器将永磁同步发电机发出的电整流成直流电或将直流电逆变为交流电；模数转换器依次与数字信号处理器的控制单元、变换器控制信号处理单元和功率变换器相连；电流传感器和电压传感器用于检测永磁同步发电机的端电压和相电流，并连接到所述模数转换器。

所述功率变换器由分立的IGBT功率管或功率场效应管组成，或者由集成的智能功率模块构成。所述电流传感器和电压传感器为霍尔传感器，或为采样电阻。

本发明上述装置的控制方法，包括如下步骤：

（1）永磁同步发电机转矩控制条件下电压矢量的选择：电压矢量的选择不是根据定子磁链的扇区而是根据转子磁链所处的扇区来确定，根据运动电压矢量交轴分量的变化规律仅需将转子磁链的位置平均分成六个扇区即可，而不需要进一步的细分，因为在每个扇区内电压矢量交轴分量都存在最大值和最小值，发电机转矩控制过程中不需要复杂的旋转坐标变换，直接根据电机转矩控制要求并结合转子磁链所处扇区选择最优电压矢量控制发电机转矩；

（2）宽转速运行条件下定子磁链幅值的动态限制：根据发电机运行转速要求，选择定子磁链切线方向分量最优的电压矢量来控制定子磁链幅值，根据运动电压矢量定子磁链切线方向分量的变化规律仅需将定子磁链的位置平均分成六个扇区即可，同样不需要进一步的细分，因为在每个扇区内电压矢量定子磁链切线方向的分量都存在最大值和最小值，直接根据磁链的限制要求并结合定子磁链所处扇区选择电压矢量即可，电机运行过程中不要求保持定子磁链幅值恒定，不需要旋转坐标变换。

本发明的目的在于解决永磁同步发电机转矩控制中电机转矩优化控制的问题。本发明所提出的永磁同步发电机直接交轴磁链控制方法的有益效果是：不需要保持定子磁链幅值恒定，不需要复杂的坐标变换即可实现对电机转矩和定子磁链的解耦控制，能够根据电机运行状态实现对定子磁链的动态调整，进而实现宽转速范围下的发电运行。

附图说明

图1是永磁同步发电机电压矢量和定转子磁链位置示意图。

图2是永磁同步发电机直接交轴磁链控制硬件组成框图。

图3是电压矢量垂直于转子永磁体磁链分量随转子磁链角度变化情况。

图4是电压矢量沿定子磁链切线方向分量随定子磁链角度变化情况。

图5是永磁同步发电机直接交轴磁链控制下定子磁链轨迹分布图。

图6是永磁同步发电机直接交轴磁链控制框图。

具体实施方式

永磁同步发电机电磁转矩取决于电机定子磁链和转矩角两个可控变量，而二者的乘积为定子磁链交轴分量，电机参数确定时，电机转矩直接和定子磁链交轴分量成正比，通过控制定子磁链交轴分量的变化即可控制电机转矩的变化，由于定子磁链矢量的变化量总是和所施加的运动电压矢量方向保持一致，为有效控制电机转矩，根据转矩调节器对转矩的控制要求选择交轴方向分量最优的运动电压矢量作用于电机实现对电机转矩的最优控制，根据运动电压矢量交轴分量的变化规律将转子磁链的位置平均分成六个扇区，在每个扇区内存在交轴分量最大和最小的电压矢量，根据转矩控制要求并结合转子磁链所处扇区选择最优电压矢量控制发电机转矩，为实现电机宽转速范围发电运行，根据发电机运行转速要求，选择定子磁链切线方向分量最优的电压矢量来控制定子磁链幅值，电机运行过程中不要求保持定子磁链幅值恒定，不需要旋转坐标变换。

硬件系统如图2所示，主要由主回路，检测回路，控制回路三大部分组成。主回路由永磁同步发电机2与功率变换器3串联，功率变换器3将发电机发出的电整流成直流电或将直流电逆变为交流电，永磁同步发电机2由原动机1拖动；检测回路由电流传感器和电压传感器7组成；控制回路由模数转换器6连于基于数字信号处理器(DSP)的控制单元5，产生功率变换器所需的驱动信号，再连于与功率变换器相连的变换器控制信号处理单元4所组成。在检测回路中，采用无速度传感器技术实现对电机转速的观测；在控制回路中不需要电流闭环控制。

本发明的控制方法主要包含两部分，一部分为永磁同步发电机转矩控制条件下电压矢量的选择，另一部分为宽转速运行条件下定子磁链幅值的动态限制。

对于三相永磁同步发电机而言，其六个运动电压矢量分布如图1所示，图1中符号名称：αβ—两相静止坐标系；ψ_s—电机定子磁链幅值；θ_s—定子磁链相对于α轴角度；ψ_r—转子永磁体磁链；θ_r—转子磁链相对于α轴角度；δ—定子磁链和转子磁链之间的夹角；u₁～u₆—六个运动电压矢量；dq—转子磁链同步旋转坐标系；xy—定子磁链同步旋转坐标系。

对于隐极式永磁同步电机,其转矩如式（1）所示，

$T_e=\frac{3p}{2L_s}{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f\sin \mathrm{\δ}$       （1）

$=\frac{3p}{2L_s}{\mathrm{\ψ}}_f{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}$

其中T_e为电机转矩，p为电机极对数，L_s为电机直交轴电感，ψ_s为定子磁链，ψ_f为转子磁链，ψ_sq为定子磁链交轴分量。从式（1）可知，电机转矩正比于定子磁链的交轴分量，对于永磁同步发电机而言，其转矩的变化可通过下式的微分形式表达，

$\frac{d{T}_e}{\mathrm{dt}}=\frac{3p}{2L_s}{\mathrm{\ψ}}_f\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{sq}}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

从式（2）中知，对电机转矩的有效控制也就是对定子磁链交轴分量的有效控制，而对定子磁链的控制最终又落实到对电压矢量的选择上，电压矢量和定子磁链矢量之间的关系如式(3)所示，其中

为电压矢量，R_s为定子电阻，

为定子电流矢量，

$\stackrel{\→}{u_s}-R_s\stackrel{\→}{i_s}=\frac{d\stackrel{\→}{{\mathrm{\ψ}}_s}}{\mathrm{dt}}---\left(3\right)$

从式(3)中可知，在忽略定子电阻压降的情况下，定子磁链矢量的变化总是和所施加的运动电压矢量方向保持一致，因此当需要快速增加或减少电机转矩时，应选择使定子磁链交轴分量变化最快的空间电压矢量。结合图1可知，随着转子磁链角度的变化，各个运动电压矢量的交轴分量随着转子磁链角度的变化而变化。设电压矢量幅值为1V，逆时针方向规定为正方向，则各个运动电压矢量交轴分量随转子角度的变化如下所示：

u_1q:sin(-θ_r)

u_2q:sin(60°-θ_r)

u_3q:sin(120°-θ_r)

u_4q:sin(180°-θ_r)     （4）

u_5q:sin(240°-θ_r)

u_6q:sin(300°-θ_r)

式（4）中各个电压矢量交轴分量随转子角度变化情况如图3所示，图3中符号名称：u_1q～u_6q—六个运动电压矢量交轴分量。从图3中知，在0～2π范围内转子角度被平均分成六个扇区，在每个扇区内电压矢量交轴分量都存在最大值和最小值。以0～2π/6扇区为例，由于发电运行，此时定子磁链滞后于转子磁链，在前述规定的正方向下，如果需要增加电机转矩则应选择最优电压矢量u₆以增加定子磁链交轴分量，同理，如果需要减小电机转矩则应选择最优电压矢量u₃以减少定子磁链交轴分量，当电机转矩在转矩调节器转矩保持范围内则选择零电压矢量，则可以得到如表1所示的电压矢量选择表，其中τ为转矩调节器输出标志，τ为1表示需要增加电机转矩，τ为0表示需要保持电机转矩，τ为-1表示需要减小电机转矩,θ_r为转子磁链角度，u₀和u₇为零电压矢量，其根据功率管开关次数最少原则确定。

表1电压矢量选择表

根据转矩调节器的输出结果并结合转子磁链角度，根据表1选择电压矢量作用于电机，实现对电机转矩的直接控制，在这一控制过程中没有涉及定子磁链幅值的控制。

为实现永磁同步发电机的宽转速范围稳定运行，对定子磁链幅值进行限制，包括对定子磁链幅值的上限和下限进行限制，结合图5进行说明，图5中符号名称：ψ_sdownlimit—定子磁链幅值的下限值；ψ_suplimit—定子磁链幅值的上限值。当发电机运行于额定转速以下时，定子磁链幅值的上限为电机额定磁链幅值，下限为转子永磁体磁链；当发电机需要弱磁升速运行时，定子磁链幅值的上限由发电机转速和直流母线电压共同确定，下限值由转子永磁体能够承受的最大可逆退磁磁链确定。根据电机转速，一旦电机定子磁链达到限幅要求，则需要选择电压矢量对磁链幅值进行限制。限幅条件下电压矢量的选择依据如下确定。

永磁同步电机在xy定子磁链同步旋转坐标系下定子电压和定子磁链幅值有如下关系：

$U_{\mathrm{sx}}=R_s{i}_{\mathrm{sx}}+\frac{d{\mathrm{\ψ}}_s}{\mathrm{dt}}$

$U_{\mathrm{sy}}=R_s{i}_{\mathrm{sy}}+(\frac{\mathrm{d\δ}}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\ω}}_r){\mathrm{\ψ}}_s---\left(5\right)$

$=R_s{i}_{\mathrm{sy}}+{\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\ψ}}_s$

式（5）中i_sx、i_sy分别为定子电流在定子同步旋转坐标系下的x轴分量和y轴分量，U_sx、U_sy分别为定子电压在定子同步旋转坐标系下的x轴分量和y轴分量，ω_s为定子磁链旋转角速度。从式（5）中x轴方向电压表达式可知，在忽略定子电阻压降的条件下，定子电压x轴方向的分量直接决定了定子磁链幅值的变化。当x轴方向电压分量为正，定子磁链幅值增加，当x轴方向电压分量为负，定子磁链幅值减小。为达到有效限制定子磁链幅值的目的，应选择沿着定子磁链切线方向电压分量最优的电压矢量作用于电机以限制定子磁链。设运动电压矢量幅值为1V，逆时针方向规定为正方向，从图1中知各个运动电压矢量沿着定子磁链切线方向的分量随着定子磁链角度的变化而变化，是定子磁链相对于α轴角度θ_s的函数，分别表示为：

u_1x:cos(-θ_s)

u_2x:cos(60°-θ_s)

u_3x:cos(120°-θ_s)

u_4x:cos(180°-θ_s)     （6）

u_5x:cos(240°-θ_s)

u_6x:cos(300°-θ_s)

根据前面的分析，在定子磁链同步旋转坐标系中，定子电压x轴方向分量决定了定子磁链幅值的变化，式（6）中各个电压矢量沿着定子磁链切线方向的分量随定子磁链角度的变化情况如图4所示，图4中符号名称：u_1x～u_6x—六个运动电压矢量定子磁链切线方向分量。从图4中可以看到，在0～2π范围内定子磁链角度范围被平均分成六个扇区，在每个扇区内电压矢量沿定子磁链切线方向分量都存在最大值和最小值。在磁链限幅条件下，以π/6～3π/6扇区为例说明电压矢量选择依据，从图4中可知，在此扇区内当需要增加定子磁链幅值时，可选的电压矢量为u₂，当需要减小定子磁链幅值时，可选的电压矢量为u₅。以此类推可得定子磁链限幅条件下电压矢量选择依据如表2所示，其中ε为磁链幅值限制标志，为1表示需要增加磁链幅值，为-1表示需要减小磁链幅值，当定子磁链幅值在限幅范围内时，不需要进行限幅，此时仅根据转矩控制要求选择电压矢量即可。

表2定子磁链限幅条件下电压矢量选择表

通过实时计算定子磁链幅值并将其和限幅值比较，在定子磁链限幅条件下从表2中选择合适的电压矢量实现对定子磁链的有效限幅。

根据前面的分析，采用直接交轴磁链控制方法时需要知道电机转矩，转子磁链所处扇区，而为了实现宽转速范围运行需要限制定子磁链幅值，则需要确定定子磁链幅值以及定子磁链所处扇区。在静止两相坐标下永磁同步发电机方程如下所示：

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{s\α}}-R_s{i}_{\mathrm{s\α}})\mathrm{dt}$

${\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{s\β}}-R_s{i}_{\mathrm{s\β}})\mathrm{dt}$

${\mathrm{\ψ}}_s=\sqrt{{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}^2+{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}^2}---\left(7\right)$

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{se}}=\arctan \frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}}$

$T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{s\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{s\α}})$

其中，ψ_sα、ψ_sβ分别为定子磁链在静止两相坐标下αβ轴分量，ψ_s为定子磁链幅值大小，u_sα、u_sβ分别为定子电压在静止两相坐标下αβ轴分量，i_sα、i_sβ分别为定子电流在静止两相坐标下αβ轴分量。根据式（7）即可确定定子磁链幅值，定子磁链角度以及电机转矩。从图1中可知，定子磁链相对于α轴角度θ_s,转子磁链相对于α轴角度θ_r,以及转矩角δ之间有如下关系：

θ_r=θ_s+δ     （8）

对于隐极式电机，根据式（1）有：

$\mathrm{\δ}={\sin }^{-1}\frac{2T_e{L}_s}{3p{\mathrm{\ψ}}_s{\mathrm{\ψ}}_f}---\left(9\right)$

根据式（7）得到电机转矩和定子磁链幅值，代入式（9）得到转矩角δ，结合式（8）即可得到转子磁链角度θ_r，根据θ_r可判断转子磁链所处扇区。综合前面的分析，永磁同步发电机直接交轴磁链控制方法实现框图如图6所示，图6中符号名称：U_dc—直流母线电压；

—直流母线电压给定值；

—转矩给定。

结合附图叙述本发明的具体实施方法，这里以变换器发出直流电为例进行介绍。本发明所提出的永磁同步发电机直接交轴磁链控制方法基于图2所示硬件系统来实现。首先由原动机1拖动永磁同步发电机2发电，并向功率变换器3输入交流电，经功率变换器3可控整流得到直流电U_dc，其中功率变换器可由分立的IGBT功率管或功率场效应管组成也可由集成的智能功率模块（IPM）构成。由电流传感器和电压传感器7检测永磁同步发电机的端电压和相电流，电流电压传感器为霍尔传感器，或为采样电阻。检测结果由模数转换器A/D6转换成数字信号送给基于数字信号处理器(DSP)的控制单元5，控制单元5在一个控制周期内根据检测得到的发电机电压电流信号，将检测结果代入式（7）得到电机定子磁链幅值，定子磁链位置，定子磁链速度以及所处的扇区，发电机转矩等信息。将计算得到的定子磁链幅值和电机转矩代入式（9）得到转矩角。将转矩角和定子磁链位置代入式（8）即可在无传感器条件下得到转子位置以及扇区信息。根据发电机转速确定定子磁链幅值的上下限，将计算得到的定子磁链幅值和磁链幅值上下限比较，如果磁链幅值达到限幅值则根据表2选择电压矢量给变换器信号控制单元4，进而驱动变换器3。如果磁链幅值在图5所示的限幅区域内，则将直流母线电压和给定值比较，比较结果经过电压PI调节器得到转矩给定。将由式（7）计算得到的发电机转矩和转矩给定经过滞环比较后得到表1中的转矩判断标志，根据表1选择电压矢量给变换器信号控制单元4，进而驱动变换器3，实现对永磁同步发电机转矩的直接控制。

Claims (4)

1.永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置，其特征在于，包括原动机、永磁同步发电机、功率变换器、变换器控制信号处理单元、数字信号处理器、模数转换器、电流传感器和电压传感器，原动机拖动永磁同步发电机发电，永磁同步发电机与功率变换器串联，功率变换器将永磁同步发电机发出的电整流成直流电或将直流电逆变为交流电；模数转换器依次与数字信号处理器的控制单元、变换器控制信号处理单元和功率变换器相连；电流传感器和电压传感器用于检测永磁同步发电机的端电压和相电流，并连接到所述模数转换器。

2.根据权利要求1所述的永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置，其特征在于，所述功率变换器由分立的IGBT功率管或功率场效应管组成，或者由集成的智能功率模块构成。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置，其特征在于，所述电流传感器和电压传感器为霍尔传感器，或为采样电阻。

4.利用权利要求1所述的永磁同步发电机的直接交轴磁链控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）永磁同步发电机转矩控制条件下电压矢量的选择：电压矢量的选择不是根据定子磁链的扇区而是根据转子磁链所处的扇区来确定，根据运动电压矢量交轴分量的变化规律仅需将转子磁链的位置平均分成六个扇区即可，而不需要进一步的细分，因为在每个扇区内电压矢量交轴分量都存在最大值和最小值，发电机转矩控制过程中不需要复杂的旋转坐标变换，直接根据电机转矩控制要求并结合转子磁链所处扇区选择最优电压矢量控制发电机转矩；

（2）宽转速运行条件下定子磁链幅值的动态限制：根据发电机运行转速要求，选择定子磁链切线方向分量最优的电压矢量来控制定子磁链幅值，根据运动电压矢量定子磁链切线方向分量的变化规律仅需将定子磁链的位置平均分成六个扇区即可，同样不需要进一步的细分，因为在每个扇区内电压矢量定子磁链切线方向的分量都存在最大值和最小值，直接根据磁链的限制要求并结合定子磁链所处扇区选择电压矢量即可，电机运行过程中不要求保持定子磁链幅值恒定，不需要旋转坐标变换。

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