永磁同步发电机弱磁控制策略的研究

邓建国，蔡亚辉，黄守道，张洪彬



永磁同步发电机弱磁控制策略的研究

邓建国，蔡亚辉，黄守道，张洪彬

（湖南大学国家电能变换与控制技术研究中心，长沙 410082）

本文在转子磁链定向矢量控制的研究基础上，提出了一种基于直轴电压外环PI调节器的弱磁控制策略来解决永磁同步发电机PMSG（Permanent Magnet Synchronous Generator）在高速运行、负载增加时，交轴电枢反应增大使得发电机输出端线电压幅值超出直流母线电压这一问题，并引入电流前馈调节环节，削弱系统扰动对控制性能的影响。最后，对本文所提的控制算法进行仿真及实验验证，证明了所有控制策略的有效性。

永磁同步发电机；弱磁控制；直轴电压外环；电流前馈调节

0 前言

永磁同步发电机（PMSG）以其构造简单、体积小、重量轻、高效率和可靠性的优点，广泛用于各工业领域[1]。

本文从永磁同步发电机的数学模型出发，在双闭环矢量控制的基础上提出了直轴电压外环PI调节器弱磁控制策略，并引入电流前馈调节环节来改善电机控制性能。最后，通过MATLAB/Simulink仿真和永磁同步发电机弱磁实验，证明了这种控制策略的正确性。

1 永磁同步发电机数学模型及弱磁控制策略

永磁同步发电机在基于转子磁场定向的旋转坐标系下的定子磁链方程为：

电压方程为：

稳定运行时，忽略定子压降，将式（1）代入式（2）中，定子电压方程可改写为：

定子端电压方程为：

将式（3）代入，即

由式（5）可以看出，发电机在基速以上运行时，为了避免发电机线电压幅值超出直流母线电压值，可通过增加负的直轴去磁电流分量来降低端电压，达到发电机弱磁的效果。

如图1所示，永磁发电机运行在弱磁控制时的相量图可直观表述，增加弱磁电流（的绝对值增加，），直轴电枢反应增加，抵消转子磁场产生的感应电动势的影响，达到了削弱负载增加时、交流电枢反应随之增加而造成的影响。定子端电压降低后，再经过PWM变流器功率器件导通及关断，进而满足低直流母线电压的要求。

2 直轴电压外环弱磁和电流前馈调节

2.1 直轴电压外环PI调节器弱磁策略

由前述可知，发电机的输出端线电压幅值超过直流母线电压时，需用弱磁的方法来使得交流发电机输出端的电压下降。本文通过引入直轴电压外环PI调节器的方法来实现弱磁控制，即通过电压环PI调节器的作用产生直轴偏移电流，对的控制可以直接调节的去磁作用。具体实现如下：通过电流内环的输出、，计算出上一次变流器电压幅值作为反馈值，倍母线电压作为参考值构成直流电压环，当反馈值高于设定的参考值时进入弱磁控制，通过PI调节和限幅可得到直轴偏移电流。这样就可以自动调节弱磁电流的给定，从而达到等效于降压的目的。直轴电压外环PI调节器弱磁控制结构框图如图2所示。

图2 直轴电压外环PI调节器弱磁控制结构框图

2.2 电流前馈调节

在实际情况中，由于控制算法及精度、传感器检测存在误差以及电磁干扰等因素的影响，使得电机实际工作的电流会存在比较大的扰动，如果没有在未影响电机输出之前把它检测出来并消除，控制性能会有所降低。本文通过在控制系统中引入电流前馈调节环节，来削弱系统存在的扰动，改善控制精度。引入电流前馈调节环节后的系统原理图如图3所示。

综上所述，引入电流前馈调节的永磁同步发电机弱磁控制系统框图如图4所示。

图4 永磁同步发电机弱磁控制系统框图

3 仿真及结果分析

本文用MATLAB仿真来验证所提出的控制策略。发电机采用内置式结构，相关参数为R=0.0013W，轴电感L=0.124mH，轴电感L=0.269mH，永磁体磁链Ψ=0.2689Wb，直流母线电压为900V，额定频率为280Hz，额定转速为4200r/min，极对数为4。仿真采用离散系统，对真实数字控制的环境进行模拟。

从图5可看出，采用本文所提弱磁控制时，负载转矩在0.12s时由105增加到205，直流母线电压由于能量的消耗而下降，通过电压环PI控制器调节使得直流母线电压上升并稳定在450V，此时马鞍波依然完整，系统能正常完成调制。相比于弱磁控制，矢量控制时，给定同样转矩变化，此时马鞍波已被削峰，系统出现了过调制，随后电流PI环输出饱和，系统开始发散。由此可见，在相同工况下，弱磁控制下的负载能力较矢量控制大幅提高。换言之，永磁发电机的弱磁控制下，达到了等效于降压的效果。

图6为引入电流前馈调节后，额定负载状态时的三相交流电流及FFT谐波THD分析。由图可看出，交流电流波形比较好，电流谐波畸变率THD低，为1.33%，较未引入电流前馈调节时降低了46%。谐波主要分布在开关频率（3kHz）及两倍开关频率附近。

4 实验研究

为了进一步验证这种弱磁控制方法的有效性和实用性，搭建了永磁同步发电机——DSP控制系统实验平台，电机参数与仿真一致，采用通用变频器驱动三相异步电动机拖动永磁同步发电机的结构，实验现场照片如图7所示。

图7 实验系统照片

当转速达到800r/min，先进行低转速空载弱磁电压控制的验证。设定进入弱磁点的电压为0.9倍实际直流电压，空载不控整流直流电压118V，给定直流母线电压95V，得到空载弱磁电流波形如图8所示。由图可以看出电流波形正弦度很好，这种直轴电压外环PI调节器的弱磁控制方法没有问题。

图9（a）是采用本文控制策略时电机在额定转速下负载转矩与母线电压的实验波形。电机在负载转矩65稳定运行后，增加到115，母线电压波形非常平滑，在负载增加时因为能量的消耗而有所下降，随后通过电压环PI控制器调节能量流动而快速上升并稳定到给定电压处。图9（b）是此时对应的交流电流波形。由图可见，随着转速上升，交流频率的提高，载波比减小，电流波形中开关管通断引起的充放电痕迹明显，波形稍粗糙，但在负载增加时电流并没有出现震荡和失控等问题，过渡较为平稳。实验结果证明了所提控制策略的有效性。

5 结论

本文介绍了一种直轴电压外环PI调节器的永磁发电机弱磁控制方法，该方法利用电压环PI调节器的作用产生直轴偏移电流来调节去磁作用，实现降低发电机端电压的弱磁目的。并且针对实际工作中系统扰动较大的情况，引入了电流前馈调节环节来消除扰动对控制性能的影响，提高控制精度。仿真和实验的结果说明这种控制策略不仅具有良好的弱磁效果，而且动态性能好，电流谐波畸变率低，具有很强的工程实用价值。

[1] 唐任远, 等. 现代永磁电机理论与设计[M]. 北京:机械工业出版社, 1997: 12, 01.

[2] BOSE B K. A high-performance inverter-fed drive system of an interior permanent magnet synchronous machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1988, 24(6): 987-997.

[3] Bon-Ho, Nitin Patel, Steven Schulz. New Field weakening Technique for High Saliency Interior Permanent Magnet Synchronous Machine[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2003, 2(4): 898-905.

[4] 张兴, 张崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社, 2012: 98-99, 228-230.

Study on Flux-weakening Control Strategy for the Permanent Magnet Generator

DENG Jianguo, CAI Yahui, HUANG Shoudao, ZHANG Hongbin

(National Engineering Research Center of Energy Conversion and Control, Hunan University, Changsha 410082, China)

A kind of control strategy of d-axis voltage outer-loop PI regulator flux-weakening is put forward based on research on the rotor flux oriented vector control of permanent magnet synchronous generator, to solve the problem of generator output voltage exceeding DC bus voltage caused by cross-axis armature reaction under high speed increased load. And current feed-forward regulation is introduced to weaken the disturbance effect on the performance of control system. Finally, the simulation and experiment proved the validity of all the control strategies.

permanent magnet synchronous generator; flux-weakening; d-axis voltage outer-loop; current feed-forward regulation

TM351

A

1000-3983(2016)05-0007-04

2015-06-30

邓建国（1956-），2007年12月毕业于湖南大学电机专业，博士，现从事电机传动系统的教学和研究，教授。

教育部高等学校博士学科点专项科研基金（200805321038）

审稿人：宫海龙