混合励磁同步发电机交流励磁的矢量控制

刘明基，张晓燕，李 理

(华北电力大学，北京102206)

0 引 言

永磁发电机由于具有高功率密度、高可靠性、小体积等优点，在节能方面具有独特的优势，但其磁场不易调节，导致输出电压随转速或负载变化而变化，影响供电质量［1］。混合励磁同步发电机(以下简称HESG)在永磁发电机的基础上加入辅助电励磁，通过调节电励磁磁场维持输出电压稳定。HESG 在车载独立电源和备用电源方面拥有广阔的应用前景［2］。

目前大量研究中的HESG 主要区别在于励磁结构的不同，辅助励磁普遍采用直流励磁。文献［3］提出的磁分路式径向结构混合励磁同步发电机存在径向磁通和轴向磁通，利用磁分路结构调节气隙磁场大小，励磁绕组放置于固定在电机端壳上的导磁环中，实现了无刷励磁;但轴向磁路存在附加气隙。文献［4］中的双定子混合励磁同步发电机在转子内设计了一个内定子和一套直流无刷励磁装置，嵌放有励磁绕组的励磁支架固定在电机端壳上，实现无刷励磁。文献［5］中混合励磁发电机的励磁绕组装在转子上，采用旋转整流器实现励磁无刷化，但结构较为复杂。

本文提出一种直接采用交流励磁的HESG 结构［6］，介绍了HESG 的结构和工作原理，建立了HESG 的数学模型，提出一种利用电压空间矢量将电励磁磁场定向于d 轴，实现用最小的电励磁电动势得到最佳电压调整量的控制方法，并对励磁控制系统进行仿真研究。

1 HESG 的结构与工作原理

1.1 HESG 的结构

本文提出的HESG 的结构示意图如图1 所示，该发电机在同一机壳内有永磁电机和电励磁结构两部分组成，两部分沿轴向并列安装，磁路彼此独立，但共用一套定子电枢绕组，电枢绕组为常规的三相对称绕组。永磁部分为传统的表面磁钢或内置式永磁发电机结构。电励磁部分采用交流励磁结构，电励磁定子铁心上三相励磁绕组与电枢绕组嵌放在同一定子槽内，并具有相同的分布形式和极对数(如图2 所示)，电励磁绕组和电枢绕组之间是类似于变压器原、副边绕组之间的强耦合关系，电励磁效率高。在电励磁部分的定子铁心内圆增加导磁环作为内磁轭，为电励磁磁场和电枢电流磁场提供通路［6－7］。这种HESG 相对直流励磁的HESG 在控制方式上稍复杂，但其结构简单，实现无刷励磁，由于采用并列结构，永磁体不存在由于辅助励磁引起退磁的危险，并且电励磁部分没有工作气隙和附加气隙，电励磁效率高。

图1 并列结构HESG 的结构图

图2 HESG 中电枢绕组与励磁绕组分布示意图

1.2 工作原理

混合励磁发电机中，永磁发电机部分承担主要的功率输送和端电压输出，电励磁部分用于辅助调节发电机端电压稳定。辅助励磁的三相励磁绕组中通入对称的励磁电流，在电励磁部分的空间中形成圆形旋转磁场，与永磁电机部分永磁体产生的磁场轴向并列分布，这两部分磁场分别在电枢绕组中感应电动势和，相量相加后得空载电动势，如式(1)所示。永磁转子以内置式永磁体为例的HESG 电动势平衡方程式如式(2)所示。可以看出，当负载变化时，输出电压也随之变化，通过调节交流励磁电流的大小和相位，即调节电枢绕组中电励磁感应电动势的大小和相位，保证输出电压稳定［6］。

式中:Xd、Xq分别为直轴、交轴同步电抗;Id、分别为电枢电流的d、q 轴分量。

2 HESG 的数学模型

本文提出的混合励磁发电机结构特殊，相比传统永磁发电机在电励磁部分的定子上增加了三相励磁绕组;与双馈发电机的数学模型有相似之处［8］，但和双馈发电机的区别在于后者提供励磁的转子绕组是旋转的，而本文HESG 的励磁绕组是固定不动的。因此该HESG 的数学模型可以参考永磁发电机和双馈发电机的数学模型来建立。理想条件下规定，电枢绕组电压、电流正方向取发电机惯例，励磁绕组电压、电流正方向取电动机惯例［9］。永磁部分以内嵌式转子结构为例，混合励磁发电机在d、q 同步旋转坐标系下的磁链方程:

电压方程:

电磁转矩和运动方程:

式中:uds、uqs为电枢电压的d、q 轴分量;udf、uqf为励磁电压的d、q 轴分量;ids、iqs为电枢电流d、q 轴分量;idf、iqf为励磁电流d、q 轴分量;Lds、Lqs为电枢绕组的d、q 轴电感;Lf为励磁绕组电感;Lm为电枢绕组和励磁绕组之间的互感;Rs为电枢绕组电阻;Rf为励磁绕组电阻;ω 为转子旋转电角速度;ψmf为永磁体磁链;p 为电机极对数;Tem为发电机的电磁转矩。

3 交流励磁控制策略

将电励磁部分产生的磁场定向于d 轴，即与永磁体的磁场同相位或反相位，这两部分磁场在电枢绕组中感应的电动势同相位或反相位，可直接进行标量叠加得到空载电动势E0，即:

当输出电压变化时，仅需改变电励磁电动势的大小保证输出电压稳定，用最小的电励磁电动势得到最佳电压调整量。在图3 所示的HESG 电动势相量图中，电励磁电动势与永磁电动势不同相位，为得到同样大小的合成电动势E0，需要调节的电励磁电动势E'0e比同相位时的E0e大，即E0e＜E'0e。当输出电压低于给定电压，调节励磁电流使之产生的电励磁磁场与永磁体产生的磁场同相位，起增磁作用，如图3(a)所示;当输出电压高于给定电压，调节励磁电流使之产生的电励磁磁场与永磁体产生的磁场反相位，起去磁作用，如图3(b)所示。

图3 HESG 的电动势调整相量图

本文提出一种利用电压空间矢量将电励磁磁场定向于d 轴的控制策略。当混合励磁发电机的三相电励磁绕组施加正弦电压时，用合成空间矢量表示的励磁电压方程:

式中:Uf、If和ψef分别为励磁绕组三相电压、电流和磁链的合成空间矢量。

忽略励磁绕组的电阻压降，励磁电压空间矢量与磁链空间矢量的近似关系:

由式(8)可知，当励磁电压频率一定，电励磁磁链ψef的大小几乎决定于所加电励磁电压空间矢量Uf的大小，并且在方向上Uf超前ψef90°［10］。

混合励磁发电机励磁控制系统的原理图如图4所示。在图4 中，检测到的发电机输出电压和电压指令作比较，经PI 控制器，输出励磁电压调节量的大小;检测永磁磁链的位置，并在此基础上加90°作为励磁电压调节量的方向，根据励磁电压空间矢量与励磁磁链空间矢量之间的关系，可知此时电励磁磁链与永磁磁链在同一直线上，从而将电励磁磁场定向在d 轴。确定励磁电压调节量的大小和方向后，可得到复数表示的励磁电压调节量的空间矢量值，经过SVPWM 输出开关信号驱动三相电压型逆变器，通过改变SVPWM 开关信号的脉冲宽度，控制励磁绕组中的交流励磁电压的相位和大小，最终使发电机输出电压跟踪给定电压指令。

图4 HESG 励磁控制系统原理图

4 仿真研究及结果分析

4.1 混合励磁同步发电机的MATLAB 模型

根据式(3)～式(5)建立混合励磁发电机的仿真模型，为了将仿真模型封装成与实际电机相同的输出形式，在模型的输入端和输出端增加坐标变换环节，将d、q 坐标系下的两相电压变换为三相电压。为了与发电机的电气负载连接，使用受控电压源模块，实现数学模型与电路拓扑模型的转换［11］。建立的发电机仿真模型如图5 所示，其中核心子模块Subsystem 根据HESG 的数学模型搭建，在封装后的子模块对话框中可对发电机中的各参数进行设置。

图5 HESG 的MATLAB 模型

4.2 励磁闭环控制系统的仿真及结果分析

为了验证所建立的HESG 仿真模型及提出的励磁控制策略的正确性，运用MATLAB/Simulink 进行仿真分析。HESG 仿真参数设置如表1 所示。电压指令设置为220 V，额定负载10 kW，功率因数0.8，并使HESG 在不同时刻切换为不同负载，负载切换情况如表2 所示。混合励磁发电机应用于独立供电系统时，首先需要空载起动，当达到一定转速时再切入励磁控制回路，发电机输出恒压恒频的端电压后投入负载。仿真中，积分环节模拟发电机的起动过程，当输出的空载电压达到220 V 时，投入励磁控制回路。通过永磁发电机的设计，确定HESG 的励磁工作点，使HESG带50%额定负载时，仅依靠永磁部分励磁，电励磁部分提供的磁链为0，确定此时永磁体磁链ψmf=1.082 Wb。

表1 HESG 仿真参数

为了对比研究HESG 和永磁同步发电机(以下简称PMSG)在相同负载变化情况下输出电压情况，在另一模型中仅将HESG 的励磁电压设置为0，励磁绕组与电枢绕组之间的互感Lm近似设置为0，此时HESG 相当于PMSG。HESG 和PMSG 仿真得到的输出电压有效值如图6 所示。可以看出，PMSG的输出电压随负载变化而变化;HESG 的输出电压稳定在220 V，每次负载变化时，通过闭环控制系统对励磁电压进行调节保证了HESG 输出电压的稳定，励磁系统每次调整后输出电压的稳态误差为0。由图6 的放大图还可看出，在7 s 时刻，发电机所带负载由80%额定负载变化为满载，HESG 输出电压的超调量为1.5%，调整时间为0.7 s，表明该控制系统具有良好动态和稳态性能。混合励磁发电机经励磁控制系统的调节，输出电压能够较好地跟踪给定电压，解决了永磁发电机输出电压不易调节问题。

图6 HESG 和PMSG 输出电压有效值

本文提出的控制策略是利用励磁电压空间矢量的调节将电励磁磁场定向于d 轴，即ψef=ψdf，ψqf=0。根据式(2)，忽略励磁绕组电阻压降，稳态时，udf≈0，uqf≈ωψef，即励磁电压d 轴分量为0，励磁电压q 轴分量与电励磁磁链成正比。

图7 给出了励磁电压d、q 轴分量的变化曲线。仿真系统切入励磁回路前，励磁电压d、q 轴分量均为0，负载变化时励磁电压d 轴分量始终为0，q 轴分量随负载变化，验证了所提出的控制策略确实将电励磁磁链定向在d 轴，实现用最小的电励磁电动势达到最佳电压调整量。根据混合励磁发电机的设计，空载时，辅助电励磁需起强去磁作用，图7 中稳定后的励磁电压q 轴分量为－35.2 V，电励磁部分提供较大的反向磁场;带50%额定负载时，仅依靠永磁部分励磁就能输出额定电压，励磁电压q 轴分量为0，电励磁部分提供的磁链为0;带80%额定负载和额定负载时，辅助电励磁需起增磁作用，励磁电压q 轴分量分别为22 V 和36.9 V，电励磁部分提供正向磁场。HESG 励磁电压的具体调节情况如表2 所示，仿真结果与理论分析相一致。

图7 HESG 励磁电压d 轴及q 轴分量

表2 HESG 励磁电压调节情况

5 结 语

(1)提出了一种直接采用交流励磁的混合励磁同步发电机结构，详细介绍了其结构特点和电压调节原理。

(2)在建立的混合励磁同步发电机d、q 坐标系下数学模型的基础上，提出利用励磁电压空间矢量对电励磁磁场进行定向于d 轴的控制策略。分析表明，该控制策略用最小的电励磁电动势实现了最佳电压调整量，并且电励磁磁链与励磁电压q 轴分量uqf成正比，发电机输出电压的调节取决于励磁电压的q 轴分量。

(3)对发电机及励磁控制系统进行建模、仿真。仿真结果与理论分析相一致，负载变化时，输出电压能够跟踪给定电压为负载提供恒定电压，并且该系统具有良好的动态和稳态性能。

本文为交流励磁混合励磁同步发电机控制策略研究、建模和仿真提供了一种有效的方法，为后续实际控制系统的设计与实现奠定了理论基础。

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