永磁同步发电机的弱磁控制研究_祝宸.pdf
《永磁同步发电机的弱磁控制研究_祝宸.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《永磁同步发电机的弱磁控制研究_祝宸.pdf(9页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 46 卷 第 1 期2023 年 2 月电 子 器 件Chinese Journal of Electron DevicesVol.46No.1Feb 2023项目来源:国家自然科学基金项目(51675324);上海新能源汽车振动与噪声测试技术专业服务平台项目(18DZ2295900);上海汽车工业科技发展基金会产学研项目(1910)收稿日期:20210917修改日期:20220104esearch on Field Weakening Control of Permanent MagnetSynchronous Generator*ZHU Chen,MA Xipei*,FAN Pingq
2、ing,FANG Yu(School of Mechanical and Automotive Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China)Abstract:In order to solve the current coupling problem of the orthogonal axis in the high-speed section of IPMSG,a novel field weake-ning control algorithm based on the combi
3、nation of single quadrature axis current regulator and voltage vector angle is proposed In orderto satisfy the generator running at full speed,it is necessary to determine the operating conditions of the generator to switch between themaximum torque current ratio control algorithm(MTPA)and the field
4、 weakening algorithm The direct-axis current of the generator isdetermined through the adjustment of the current loop and the voltage loop,so that the given value of the quadrature-axis voltage can bechanged according to changes in the output voltage and electromagnetic torque This makes the current
5、 vector of the generator alwayswork at its best advantage,greatly improving the efficiency and output capacity of the generator This algorithm does not need to look uptables,does not depend on generator parameters and is easy to implement Simulations and experiments have verified the feasibility and
6、stability of the algorithmKey words:IPMSG;current coupling;single quadrature axis current regulator;voltage vector angle;flux weakening control;algorithmswitchingEEACC:8110Cdoi:103969/jissn10059490202301028永磁同步发电机的弱磁控制研究*祝宸,马西沛*,范平清,方宇(上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620)摘要:为解决内置式永磁同步发电机(IPMSG)在高速段出现的直交轴电流耦
7、合问题,提出了一种新颖的基于单交轴电流调节器和电压矢量角相结合的弱磁控制算法。为满足发电机在全速段运行,需要判断发电机所处运行工况对最大转矩电流比控制算法(MTPA)和弱磁算法进行算法切换。发电机的直轴电流通过电流环和电压环的调节确定,故使得交轴电压的给定值可以根据输出电压和电磁转矩的变化而变化。这使得发电机的电流矢量始终能工作在最优点上,大大提高了发电机的效率和输出能力。此算法不需查表、不依赖于发电机参数且容易实现,经仿真和试验验证了该算法的可行性和稳定性。关键词:内置式永磁同步发电机;电流耦合;单交轴电流调节器;电压矢量角;弱磁控制;算法切换中图分类号:TP29;TM313文献标识码:A文
8、章编号:10059490(2023)01016309为响应国家清洁能源利用的号召,天然气压力能利用技术得到了快速发展。由此出现一种较新的控制方式,用于天然气压差带动发电机运转发电的过程,故发电机的选型和控制算法尤为重要。而内置式永磁同步发电机(Interior Permanent-MagnetSynchronous Generator,IPMSG)相较于表贴式永磁同步发电机(Surface-mounted Permanent-Magnet Syn-chronous Generator,SPMSG)可以充分利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩,具有高功率密度、高效率、高可靠性、制造简单等特点13。
9、其在风力发电机、水轮发电机、天然气发电机等许多领域都得到了广泛应用13,且因其高效率而逐渐取代其他类型发电机。永磁同步电动机(Permanent-Magnet SynchronousGenerator,PMSG)的端电压与电机转速成正比,在宽压差范围运行的工况下,端电压和频率的大小都会发生巨大改变。因此,需要针对运行在基速以上的高速工况采用合适的弱磁控制算法以满足应用需求46。弱磁环节的作用是通过合适的控制策略得到直轴和交轴电流指令。而传统的弱磁算法基于磁电子器件第 46 卷场定向,包括一个直轴电流调节器和一个交轴电流调节器,分别控制对应的电流。当发电机转速不断提升后,其直轴和交轴的电流耦合逐
10、渐加强,从而导致发电机输出性能不稳定79。目前对发电系统中常用控制策略不能满足解耦稳定输出这一问题进行讨论的文献较少。为解决此问题,本文采用基于变交轴电压单电流调节器的弱磁控制算法,不需要发电机参数,不用查表。电机交轴电压指令根据发电机转速和端电压的变化而实时调节,使得发电机稳定工作在最优点1012。该方法具有结构简单、易于实现、动态响应快、参数鲁棒性好等特点1315。最后建立 Simulink仿真模型,对所提控制算法进行可行性分析并验证。1PMSG 的数学模型在转子磁场定向条件下,根据经 Clark 变换和Park 变换后的 dq 坐标系下的磁链方程和电压方程,可得到 d 轴和 q 轴的等效
11、电压方程为:ud=sid+LddiddteLqiquq=siq+Lqdiqdt+e(Ldid+f)(1)式中:ud和 uq为 d 轴和 q 轴等效电压;id和 iq为 d轴和 q 轴等效电流;Ld和 Lq为 d 轴和 q 轴等效电感;e为转子的同步旋转电角速度;f为永磁体磁链幅值。其中,对于 PMSG 来说,其直轴电感值小于交轴电感值,即 LdLq。采用保持幅值不变的 3/2 变换原则,由上述 d轴和 q 轴等效电压方程(忽略定子电枢电阻压降)及 d 轴和 q 轴等效电流可得 PMSG 功率方程为:Pe=32(udid+uqiq)=32e f+(LdLq)id iq(2)IPMSG 在 dq
12、旋转坐标系下的电磁转矩方程为:Te=32Pn f+(LdLq)id iq(3)式中:Te为发电机电磁转矩;Pn为发电机极对数。2PMSG 的运行约束受限于 PMSG 高速运行的温升和 PWM 整流器的电流等级,PMSG 电枢电流幅值 is存在最大值imax,即:i2d+i2槡q=isimax(4)此外,受限于 PWM 整流器的直流侧电压,发电机定子电压幅值 us存在最大值 umax,即:u2d+u2槡q=usumax(5)当 PMSG 变频调速时,其定子电压会受到 PWM整流器输出最大电压的限制,在 SVPWM 调制中,其最大定子电压幅值限制值 umax与直流母线电压 udc的关系为:umax
13、=udc槡3(6)21电压极限椭圆PMSG 在弱磁高速运行时,式(1)中的电阻压降可以忽略不计,等效电压方程表达如下式:ud=eLqiquq=e(Ldid+f)(7)将式(7)代入式(5)后可写为(Ldid+f)2+(Lqiq)2 use()2(8)对等式进行处理,有id+fLd()2umaxLde()2+i2qumaxLqe()21(9)此方程表现在 dq 坐标系上为一个椭圆方程,每个转速e都会对应坐标系下一个中心为A(f/Ld,0)的椭圆,称为电压极限椭圆。图 1电压和电流约束曲线电压极限椭圆规定了控制过程中 PMSG 电压和转速的约束条件。对某一给定转速,当 PMSG 调速至稳定运行状态
14、时,工作点不能长时间落在该转速所对应的电压极限椭圆轨迹外。调速时,随着转速e增大,电压极限椭圆随之缩小,不同转速对应一簇同心椭圆曲线,如图 1 所示。理论上,当运行到 A点时,电机的速度可以达到无限大。22电流极限椭圆除了电压极限约束外,PMSG 在运行时还受到电流极限约束。由式(4)可以看出,电流限制方程的轨迹是在 dq 坐标系下对应一个圆心处于原点的圆形,称为电流极限圆,如图 1 所示。461第 1 期祝宸,马西沛等:永磁同步发电机的弱磁控制研究电流极限圆表示了对 PMSG 电流幅值的约束条件,PMSG 运行时其电流只能处于圆的内部或者边线上,不能长期运行在圆外,否则易造成电机发热。发电机
15、在运行过程中,既要受到电压极限圆的限制,也要受到电流极限圆的约束,其运行轨迹必须位于两者交叉的公共范围内。3弱磁控制策略为提高系统输出的动态响应特性,可以在控制中串联一个电流调节器来实现,其可以是单 d 轴电流调节器,也可以是单 q 轴电流调节器,本文将在后续根据发电状况选择合适的方式。通过对电压矢量角和单电流调节器的控制策略研究,提出 SQVVA控制策略。当 PMSG 转速小于额定转速,即基速以下时,由于电压矢量不在最大幅值处(非饱和状态),系统采用非弱磁控制,即 MTPA 控制;当 PMSG 转速大于额定转速,即基速以上时,由于电压矢量处于最大幅值处(饱和状态),系统采用弱磁控制,即电压矢
16、量角和单电流调节器结合的控制策略(SQVVA)。31电压矢量角与转矩的关系通过变化的电压矢量角,可以控制发电机的转矩值,即转矩为最终控制的变量,电压矢量角为可调量。但在传统弱磁控制的算法中,默认了电压矢量角对转矩的单调性控制,而这样的默认处理导致其无法确认适用于所有发电应用下的弱磁运行区。在 PMSG 的弱磁控制策略中,PMSG 在高速区运行时,即在弱磁区运行时,一般位于方波工况区,在此工况下仅可以调节电压矢量角,因为电压矢量的幅值是固定的,电压矢量角的定义如图 2 所示。图 2电压矢量角定义由图 2 可知,通过电压矢量幅值和电压矢量角,PMSG 的电压方程可表达如下:ud=umaxcosuq
17、=umaxsin(10)式中:为电压矢量与 d 轴夹角。将式(10)和式(3)代入式(7),可得转矩与电压矢量角的方程式为:Te=3Pnumax22eLdLq(LdLq)umaxsin+Lqef cos(11)由于在 0,和区间(,2),转矩与电压矢量角方程式是对称的特性曲线,故此处分析 0,区间。根据转矩方程式(11)的正负号可知:当 0,2时,转矩数值为负值,电机处于发电状态;当2,()时,转矩数值为正值,电机处于电动状态。故在此分析 0,2区间的变化,当转速变化时,转矩与电压矢量角的曲线随之小幅变化。为分析转矩方程的函数增减性,对式(11)进行求导,对应的导函数为:dTed=3Pnuma
18、x22eLdLq(2Lqdumaxsin2+Lqefsin+Lqdumax)(12)式中:Lqd=LqLd。为确认增减性,需计算导函数在=0、=2边界点处及最值处的函数值大小。由于 为自变量,且方程式是关于 sin 的函数,故导函数与函数有相同的对称性,其对称轴为:sym=2(13)进一步将式(12)中的变量代换,以简化导函数方程式,原自变量为,现自变量改为 sin,则导函数可变换为关于 x 的抛物线,表达式为:dTed=f(x)=3Pnumax22eLdLq(2Lqdumaxx2+Lqefx+Lqdumax)(14)式中:x=sin,0,2,即 x 0,1。关于 f(x)的函数特性,只需验证
19、抛物线方程在0,2区间的左边界点、右边界点和抛物线极点的大小即可。可知抛物线方程式(14)的对称轴为:xsym=Lqef4Lqdumax(15)其左边界点为:f(0)=3PnLqdu2max22eLdLq(16)式(4)式(7)中:左边界点的数值大小由电机内部参数、发电机转速和电压幅值最大值决定,且对561电子器件第 46 卷于 IPMSG,其交轴电感要大于直轴电感,即 Lqd=LqLd0,在此式中所有参数均大于 0,故左边界点的数值大于 0。其右边界点为:f(1)=3Pnumax22eLdLq(LqefLqdumax)(17)式中:PMSG 电压最大幅值等于转子磁链与额定电角速度的乘积,即
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 永磁 同步 发电机 控制 研究 祝宸
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。