基于SVPWM的变速发电恒频/恒压输出控制仿真

边浩然，资新运，曾繁琦，陈冠宇，张卫锋

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

基于SVPWM的变速发电恒频/恒压输出控制仿真

边浩然1，资新运2，曾繁琦1，陈冠宇1，张卫锋2

(1.军事交通学院 研究生管理大队，天津 300161； 2.军事交通学院 军用车辆系，天津 300161)

基于集成起动/发电一体化电机(integrated starter generator, ISG)的军用混合动力车辆能利用ISG电机实现行车和驻车发电，但行车车速变化导致ISG转速变化，系统输出的三相交流电力电压、频率以及整流后的直流电压变化，不能直接供负载使用。因此，提出基于两电平三相电压源逆变器的空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)控制方法，可根据直流侧电压变化调整控制器PWM输出，使逆变器恒频、恒压输出三相对称交流电力。在介绍发电系统工作原理基础上，分析SVPWM控制原理，在Simulink中搭建发电系统仿真模型。仿真结果表明，当直流侧电压变化时，逆变器实现了恒频恒压输出，证明控制方法的可行性。

空间矢量脉宽调制;集成启动/发电一体化电机;变速发电；恒频/恒压；Simulink

基于集成启动/发电一体化电机 ISG 的混合动力车辆凭借怠速起停、制动能量回收优化了排放、降低了油耗。军用混合动力车辆在此基础上拓展了其作为小型移动电站的功用，ISG输出的电能除供车载电子设备使用外，还可为指挥通信等设备供电，提升军队移动条件下的电力保障能力。

ISG发电包括行车与驻车发电，行车发电时的车速变化会导致电机输出电压、频率发生变化，不能直接连接负载。常用解决方法包括发电机内和机外两种解决思路。机内方法如使用混合励磁发电机或双馈异步发电系统[1-2]，当发电机转速变化时，改变机内励磁磁场，进而控制输出恒频恒压电力。机外方法包括液压恒速控制和电力电子变流技术，液压变速发电系统利用液压传动的无极调速特性，实现变速输入、定速输出，适用于原车上装有液压系统的装备[3-4]；电力电子变流技术则通过将电机输出电力经整流、逆变实现“交—直—交”变换，输出恒频恒压电力，相较于液压系统具有效率高、输出稳定的优点。

本方案选择利用电力电子变流技术实现变速恒频恒压发电。朱诗顺等[5]针对轴带发电系统恒频恒压输出做了试验分析，但对整流逆变工作原理未做分析。赵彩虹[6]提出基于永磁同步电机的车载轴带发电系统的弱磁控制方法，使发电机可运行于更高车速。

本文提出基于永磁同步电机的直驱式发电系统方案，介绍发电系统组成及原理，重点分析基于SVPWM的逆变理论，该方法可根据直流侧电压变化调整PWM输出，进而控制逆变器输出的三相交流电恒频、恒压输出。并通过Simulink仿真验证相关理论正确性，为控制器的开发提供依据。

1 发电系统控制方案

系统采取发动机与发电机同轴转动。发电机为内转子面贴式永磁同步发电机，发动机曲轴与ISG转子轴刚性连接，整流器采用不可控二极管桥式整流以降低成本。逆变器为两电平三相电压源逆变器。发电机系统控制分为发动机控制和发电机控制两部分：发动机转速控制由电子控制单元完成，发电机控制由开发的电机控制器完成。行车时，发动机驱动ISG发电，由于转速变化，导致桥式整流电路输出的直流电压变化，逆变器实时测量直流电压，并根据直流电压调整PWM输出，控制交流侧输出始终为220 V/50 Hz的三相交流电力。

2 SVPWM控制原理

SVPWM是空间矢量脉宽调制控制方法，原理在于将三相静止坐标下的标量控制转换为d-q旋转坐标系下的矢量控制，具有直流电压利用率高、抑制谐波的优点。

2.1 空间电压旋转矢量

三相电压标量到旋转电压矢量转换如图1所示。其中：uA、uB、uC分别为A、B、C相电压值；Um为相电压峰值；us为合成电压。

图1 三相电压标量到旋转电压矢量转换

对于三相对称交流电力，有：

(1)

考虑三相电压空间分布互差120°电角度，令复平面实轴与A轴重合，将三相电压转换到复平面，则有：

uS(t)=uA(t)ej0°+uB(t)ej120°+uC(t)e-j120°

(2)

将式(1)带入式(2)，得

(3)

由式(3)可知，三相对称电压合成电压为幅值不变，在空间以角速度逆时针旋转的旋转矢量[7]。

根据电压合成原理的可逆性可知，若控制合成电压矢量uS为幅值固定，且在空间以定速旋转，则可得到三相对称正弦电压。

2.2 两电平三相逆变器SVPWM控制

两电平三相电压源逆变器如图2所示。逆变器通过3对功率开关控制三相输出电路的导通与关断。

图2 两电平三相电压源逆变器示意

(4)

令A相与复平面实轴重合，将式(4)带入式(2)得

Uout1=Udcej0°

同理可以求得其他7种导通形式下的合电压矢量Uout(如图3所示)。

图3 逆变器输出电压矢量

(5)

其中U0(000)、U7(111)为零矢量。

复平面360°被分为如图3所示的6个扇区，根据伏秒平衡原理(或平均值等效原理)，合电压矢量在任一扇区时，可由组成该扇区的两个非零电压矢量以及两个零矢量通过分配导通时间组合而成。伏秒平衡原理(以Ⅰ扇区为例)如图4所示。

图4 伏秒平衡原理(以Ⅰ扇区为例)

当合电压矢量在第1扇区时，根据伏秒平衡原理有：

(6)

式中：Ts为导通周期；T0、Ta、Tb、T7分别为电压矢量U0、U4、U6、U7的导通时间。

考虑Ts很小，认为在此时间段Uout不变，则式(6)可写为

Ts|Uout|=T0|U0|+Ta|U4|+Tb|U6|+

T7|U7|=Ta|U4|+Tb|U6|

(7)

根据电压矢量合成的几何关系，有：

(8)

由式(5)可知：

|U4|=|U6|=|Udc|

(9)

联立式(7)、(8)、(9)，解出：

(10)

同理，当合成电压矢量Uout在第i扇区，只需令

(11)

并将θ′代入式(10)，便可求出相邻非零电压矢量的作用时间。

2.3ABC坐标系到αβ坐标系变换

由以上分析可知，SVPWM控制步骤包括：①求解所需合电压矢量Uout；②判断和电压矢量所在扇区；③求解分电压矢量作用时间。过程中用到ABC坐标系到复平面坐标系转换(即αβ坐标系，α为坐标系实轴)，以下介绍坐标转换原理。

2.3.1 坐标投影

ABC坐标系为三相静止坐标系，三相空间互差120°电角度，αβ坐标系为空间静止复平面坐标系，令其实轴α与A相重合，虚轴β超前实轴90°电角度，则两坐标系坐标几何关系如图5所示。

图5 ABC坐标系到αβ坐标系转换

uA、uB、uC分别为ABC三相电压，通常为三相对称，即相位互差120°。根据投影法则，将三相电压投影到复平面得

(12)

则合电压矢量为

uS=uα+juβ

(13)

2.3.2 转换系数

在ABC坐标系向αβ坐标转换时，通常在转换矩阵前乘以转换系数k，即

(14)

转换系数k为任意值[8]，原因如下。

根据2.2分析，SVPWM控制关键在于合成电压矢量扇区判断和求解电压状态作用时间，扇区判断依据

(15)

由式(15)可看出，扇区判断与转换系数k无关。

将图5中各参数转换到αβ坐标系，有：

(16)

(17)

分电压作用时间

(18)

由式(18)可知，电压分量作用时间与转换系数亦无关。

3 Simulink仿真模型

Simulink是Matlab应用下的一个仿真软件包，可用于控制器开发、电力系统仿真等。其内部提供如电压/电流源、逆变器等模块，用户可在此基础上开发控制系统、验证控制方法。

3.1 模型搭建

恒频、恒压输出控制系统仿真模型如图6所示，主要包括：

①可控直流电压源：用于模拟发电机转速变化时经整流后的直流侧电压变化；②电压源电压测量模块：用于将直流电压反馈至SVPWM模块；③控制电压信号源：用户所需三相电力电压信号，用以提供控制参考；④坐标转换模块：用以将ABC三相坐标转换为αβ坐标系(采用幅值不变原则)；⑤SVPWM模块：用于接收控制信号uα、uβ、udc，产生PWM信号；⑥逆变器模块：根据PWM信号控制三对功率开关导通；⑦滤波电路：对逆变器输出电力进行滤波；⑧A相输出电压测量模块及其显示模块：用以测量A相输出电压瞬时值及有效值。

图6 Simulink仿真模型

3.2 结果分析

模型运行时间0.1 s，可控电压源采取突变形式模拟，初始值为600 V，0.05 s时突变为1 200 V。控制电压信号，即用户所需逆变器输出的电力为有效值220 V，频率50 Hz的三相对称正弦交流电(如图7所示)。

图7 控制电压信号

运行模型后，逆变器A相输出电压信号如图8所示。

图8 A相输出电压

模型中相电压有效值由RMS模块求得，其采用周期积分的方法求解，有效值频率为50 Hz，故仿真0～0.02 s有效值为0。分析结果可知，当0.05 s直流端电压从600 V突变为1 200 V时，逆变器输出电压瞬时值和有效值基本未发生变化，初步验证了该控制方法的可行性。

4 结 语

本文介绍了行车变速发电系统组成及SVPWM逆变控制恒频恒压输出原理，详细分析与SVPWM控制相关的空间电压旋转矢量、两电平三相电压源逆变器导通时间求解等理论。最后根据SVPWM原理，建立变速恒频/恒压发电的Simulink仿真模型。仿真结果显示，当直流侧电压由600 V突变为1 200 V时，逆变器输出交流电压频率、幅值、有效值均保持预定恒定输出，验证了该该控制方法的可行性。

[1] 赵纪龙,林明耀,付兴贺,等. 混合励磁同步电机及其控制技术综述和新进展[J]. 中国电机工程学报,2014,34(33):5876-5887.

[2] 刘晋. 双馈风力发电系统控制策略研究[D].北京：华北电力大学,2014.

[3] 马舜,李伟,刘宏伟,等. 基于液压传动的独立运行潮流能发电系统变速恒频控制[J]. 电力系统自动化,2011,35(10):59-64.

[4] 何国本.液压传动自发电电站技术研究[D].天津:军事交通学院,2005.

[5] 朱诗顺,李静,孙燕,等.变速恒频恒压轴带发电系统电源品质试验研究[J]. 军事交通学院学报,2013,15(9):47-51.

[6] 赵彩虹.车载变速永磯同步发电机恒压恒频供电系统的研究[D].北京:华北电力大学, 2016.

[7] 王成元.现代电机控制技术[M].2版.北京:机械工业出版社, 2015：20-27.

[8] WU B, LANG Y Q,ZARGARI N ,et al.风力发电系统的功率变换与控制[M]. 卫三民,周京华，王政，等译.北京： 机械工业出版社,2012：91-94.

(编辑：史海英)

Simulation on Constant Frequency/ Constant Voltage Output Control in Variable Speed Generation with SVPWM

BIAN Haoran1, ZI Xinyun2, ZENG Fanqi1, CHEN Guanyu1, ZHANG Weifeng2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Military hybrid vehicles based on integrated starter generator (ISG) can generate electricity while driving and parking, but the driving speed variation leads to ISG rotation change and changes of three-phase AC power voltage, frequency and rectified DC voltage, which cannot be used for load directly. The paper puts forward a control method called space vector pulse width modulation (SVPWM), which can adjust PWM output according to DC voltage change and output three-phase symmetrical AC power. After introducing the work principle of generating system, it analyzes the control principle of SVPWM, and establishes simulation model of the generating system with Simulink. The simulation result shows that the inverter realizes constant frequency/ constant voltage output while DC voltage changes, which can prove the feasibility of the control method.

space vector pulse width modulation (SVPWM); integrated starter generator (ISG); variable speed generation; constant frequency/ constant voltage; Simulink

2017-04-28；

2017-05-16. 作者简介： 边浩然(1992—)，男，硕士研究生； 资新运(1971—)，男，教授，硕士研究生导师.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.018

TM461.3

A

1674-2192(2017)08- 0077- 05

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology