1、 六相永磁同步发电机控制技术研究第 1 章 绪论1.1 课题背景及研究目的和意义伴随着中国经济的高速发展，工业及人民日常生活中的电力消耗也逐渐增加，能源危机和环境危机也逐渐凸显，解决能源问题与经济社会发展之间的矛盾成为我国现阶段经济转型的重大战略问题。发展多种形式的能源进行发电是我国电力发展的当务之急。发电机作为将热能、风能、潮汐能等多种形式的能量转换为电能的核心设备，在实现机电能量转换的过程中起到关键的作用。随着电动车、多电飞机及全电推进舰船的发展，发电机的应用领域已经不局限于传统的火电、核电、水电等领域，更多新领域的应用对发电机提出了新的要求，如在全电推进系统和风力发电的应用中，受输出电压
2、限制，需要发电机具备较低的端电压、较大的功率输出特性；电动车及多电飞机的应用中，需要发电机及其驱动控制系统有非常高的可靠性，一旦出现故障，将会造成人身伤害和巨大的财产损失。针对具体的应用场合，研发出高效、控制灵活、高可靠性的发电机系统是工业及国防科技的必然选择。多相发电机成为针对风能、电动车、潮汐能、多电飞机等应用一种新的解决方案1-3。多相发电机通过增加相数，同等级功率下，可以成倍的降低相电流，另外，相数的增加也使控制更为灵活，方便实现故障后的容错控制。以风力发电的应用为例，目前主要以配有部分功率变流器的三相双馈异步式发电机(Double Fed Induction Generator， D
3、FIG)和配有全功率变流器的永磁同步发电机(Permanent Magnet Synchronous Generator，PMSG)为主。.1.2 多相电机及其控制技术研究现状通常将相数大于三相的电机定义为多相电机，而这种按引出端个数的命名方式仅是对多相电机一个笼统的定义，如对于对称的六相电机和双 Y 相移 30 度的非对称的六相电机如何加以区分，则不能简单以引出端子个数而定。现在被广泛应用的多相电机定义是根据 E.A Klingshirn 提出的根据电机绕组的相带角定义电机的相数25 。电机每对极距内有 n 个均匀分布的相带，对于每个相带角为 360/n 的电机，如果引出的端子数为 n，则其
4、相数定义为 n 相电机，如果引出的端子数为 n/2，则定义其半 n 相电机。这种对多相电机的定义将绕组的编排方式与端子引出个数联系起来，揭示了多相电机定义的本质。多相电机可以设计成与传统三相电机类似的多种类型的电机，如感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。根据目前多相电机的研究热点，对其进行如下的分类：(1) 按运行原理分，多相电机可分为多相感应电机26-27和多相同步电机28,29两种。多相感应电机的转子可以设计成鼠笼式或绕线式，目前见诸文献报道的多为转子鼠笼结构。多相同步电机按照转子的励磁方式不同，可分为多相永磁同步电机、转子电励磁的多相同步电机。(2) 按磁通方向分，多相电机可以设计成
5、轴向磁通30和径向磁通形式。轴向磁通式的多相电机齿部绕组容易加工制造，但含有较多的低次谐波，低次谐波虽对正弦供电的三相电机会产生影响，但对正弦供电的多相电机可以避免低次谐波的影响。此外，这种电机还有齿绕组无重叠，端部绕组较短的特点。.第 2 章 六相永磁同步发电机系统数学建模及分析2.1 引言电机的绕组是实现机电能量转换的关键部件，对多相电机绕组进行深入的分析，有助于了解多相电机的磁动势谐波成分组成、电磁转矩特性，同时也能够根据电机绕组表现出的特性提出适宜的控制方法。多相感应电机与多相永磁同步电机的定子结构可以是相同的，其区别在于转子的励磁方式不同，多相感应电机的转子可以是鼠笼式，也可以是类似
6、双馈式的绕组励磁结构，针对不同的转子绕组形式，感应电机的定子和转子的磁动势谐波具有相似性。永磁同步电机的转子可以等效为恒定的直流励磁源提供独立的励磁磁动势，所以转子的磁动势分析相比定子要简单。本章主要对双 Y 接相移 30的六相永磁同步电机的定子绕组磁动势进行分析，并得到各次谐波磁动势的分布规律。为了实现对电机有效、准确的控制，需要对电机建立准确的数学模型，并通过测量或者电磁计算的方法得到电机的参数，对于六相 PMSG 各相绕组强耦合的关系，谐波成分复杂的情况，本章通过对六相 PMSG 发电系统进行数学建模，并对其进行扩展的 Clark 和 Park 变换，得到空间解耦的数学模型。通过有限元的
7、方法对电机的磁密和反电动势中的谐波进行了分析，对电感参数进行了计算。.2.2 六相 PMSG 的磁动势分析电机运转时圆形的旋转磁场是由定子绕组磁动势和转子磁动势共同作用形成，两个磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换的过程。然而，受绕组空间排布、电流波形多样化的影响，造成气隙磁动势的实际分布情况非常复杂，对磁动势的研究有助于对电机的运行特征进一步了解，对改善电机性能也能提供理论依据。对磁动势的分析有助于了解电磁转矩和谐波分量的产生机理，根据前文所述两套绕组相移 30的位置关系，以及对三相绕组气隙磁动势的推导，可以得到双 Y 相移 30的六相电机绕组另外一套三相绕组的磁动势为式(2-5)所示
8、，因为磁路线性，可以应用叠加原理，进而得到六相电机中的合成磁动势。电压和电流是两组时变的向量，磁链、电感受转子位置角的空间位置的影响，随着转子的转动，也是时变的向量，且各相磁链和电感之间存在强耦合关系。为了实现对多相电机的有效控制，必须消除各时变量间的耦合效应，而坐标变换可以将如电感、磁链这样的随空间位置变化的变量变成恒定的变量，或者将各相之间具有强耦合效应的电流量变成直流量。.第 3 章 六相永磁同步发电机的 PWM 数字控制.393.1 引言 . 393.2 部分解耦双 d-q 空间矢量控制研究. 403.3 完全解耦的六相 PMSG 矢量调制技术 . 453.4 母线串联时电压平衡控制策
9、略 . 613.5 本章小结 . 67第 4 章 六相永磁同步发电机预测控制.694.1 引言 . 694.2 六相 PMSG 预测电流控制 . 714.2.1 预测模型建立 . 714.2.2 预测电流误差校正. 724.3 六相 PMSG 的模型预测控制 . 744.4 两种预测控制方法的实验研究 . 814.5 本章小结 . 88第 5 章 六相永磁同步发电机的一相开路容错控制 .895.1 引言 . 895.2 容错控制约束条件和优化方法 . 905.3 六相永磁同步发电机容错的建模与控制 . 935.4 一相绕组开路的容错闭环控制 . 9855.5 仿真与实验研究 . 1005.6
10、本章小结 . 110第 5 章 六相永磁同步发电机的一相开路容错控制5.1 引言六相 PMSG 可应用在风力发电、电动汽车、多电飞机或者其他的应用场合，多是因其具有高可靠性，如在风力发电中，大容量化已经成为其发展的必然趋势，然而随着风力发电单机容量的增加，单机故障后脱对整个风场的稳定性影响也变得更严重，需要发电机故障后仍能保持正常运行或者降额运行，这样将大大提高其可靠性和经济性能；而对于电动汽车或者多电飞机的发电机来说，故障可能会造成人身及财产的重大损失，可靠性更是至关重要。传统三相发电机在一相开路后无法继续运行，一般采取的措施即将其切除或者将中性点引出，与母线电压中点相连才能继续运行，如果采
11、取有备用的冗余设计，则会大幅增加单机的硬件成本。多相电机在不增加硬件成本的情况下，通过改变相应的控制策略，具备一相及多相开路后的容错(Fault tolerant)运行特性，因此受到了广泛的关注。另外，三相电机容错控制策略中引入零序分量后会产生不利于电机稳定的轴电压和轴向电流，多相电机容错运行不会引入零序分量，更适合对电机控制系统稳定性要求较高的应用场合。根据六相 PMSG 发电系统的硬件构成，发电机控制系统的故障一般分为电机本体故障和变流器故障，电机本体故障包括绕组开路、短路，匝间短路等，变流器故障包括变流器单相或者多相开路、短路等，根据故障的特点采取的容错控制策略不尽相同88,125，但这
12、些故障都可以通过故障隔离技术将其转变成为电机驱动系统的开路运行状态，因此，多相电机开路运行的容错技术是其容错运行的根本性问题。.结 论多相永磁同步发电机与传统三相永磁同步发电机相比，在低压大功率、故障容错、控制灵活的应用领域有明显优势和良好的应用前景。本文以双 Y 相移 30 度的六相永磁同步发电机为研究对象，对六相电机的磁动势谐波理论、空间解耦的数模建模、连续型和离散型 PWM 算法、容错运行等关键技术进行了深入的理论研究，并对一台六相永磁同步发电机进行了有限元分析、仿真分析及实验研究。论文的主要工作及结论如下：(1) 基于绕组函数法，通过对三相电机的磁动势函数分析，得到了六相电机各次谐波磁
13、动势的分布规律。建立了六相 PMSG 发电系统的动力模型及空间解耦的数学模型。通过有限元法对六相 PMSG 的气隙磁密、反电动势及电感分析，提出通过改变绕组因数消除和注入固定次谐波的设计方法。(2) 对部分解耦的双 d-q 矢量控制的数字实现进行了理论分析，采用前馈的方法消除两套绕组直轴之间、交轴之间的交叉耦合作用。推导了最大四矢量 PWM 方法的各个矢量作用时间系数，分析其在各个扇区的分布规律，通过增加自然矢量对连续型和离散型两种 PWM 方法进行中心化处理，解决了最大四矢量法的数字实现困难的问题。针对六相 PMSG 两套绕组整流后母线串联时存在母线中点电压漂移的现象，通过对谐波子空间进行电流注入，抑制了母线电压中点漂移，为多相电机中压并的实现奠定了基础。
