多相发电机仿真与研究

毛翔 叶奇 吕新知 李玉姣 韩剑波

摘 要

传统的同步发电机采用三相同步发电机，随着风电机组单机功率的提升，采用多相电机的优势逐渐明显，包括实现低压大功率输出、减少转矩脉动、增加系统运行冗余度等。本文在分析多相电机数学模型的基础上，给出了基于多相电机的风电变流器的电机侧、电网侧控制策略。在Matlab/Simulink中建立模型开展仿真研究，所建立的多相电机风力发电模型运行平稳，结果验证了研究的有效性和可行性。

关键词

多相电机;风力发电;变流器

中图分类号： TM614                     文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.15.067

Abstract

Traditional synchronous generator is three-phase synchronous motors.With the increase of the stand-alone power of wind turbines，the advantages of using multi-phase motors are gradually obvious，including low-voltage high-power output，reduced torque ripple，and increased system operation redundancy.Based on the analysis of the mathematical model of the multiphase motor，this paper presents the motor-side and grid-side control strategies of the wind turbine converter based on the multiphase motor.A model was established in Matlab/Simulink for simulation research.The established multi-phase motor wind power model runs smoothly，and the results verify the validity and feasibility of the study.

Key Words

Polyphase motor;Wind power;Converter

0 引言

傳统发电机常采用三相同步电机，利用水能或燃烧热量推动叶轮旋转带动转子切割磁力线产生电能。近年来，新能源发电发展迅猛，风电行业迎来增长高峰。随着风电机组单机功率的不断增大，多相电机应用于发电领域的优势逐渐明显。首先，对于多相电机，随着相数的增加，每相绕组的磁链或反电动势会成比例降低，供电电压会随之下降，可实现低压大功率输出。其次，在普通的三相电机中，因气隙磁动势5次谐波与基波相互作用而产生6次转矩脉动。而在六相电机中，最低次谐波随着电机相数的增加而提高，脉动频率提高，转矩脉动大为降低。最后，传统三相电机某相故障时，无法继续运行。多相电机内部有多套独立绕组，如某一套绕组发生故障，其他绕组可匹配容错控制策略继续工作，实现风电机组降功率输出，提高了整个系统的可靠性和冗余度。本文以六相电机为例，开展多相发电机仿真研究。

1 电机模型

六相永磁同步发电机由永磁体、六相定子绕组、外壳等部分组成。六相定子绕组由两套中性点独立的Y型绕组叠加形成，其相互叠加的角度可以为0°、30°或60°，如图1所示。本文选择双Y 30°相带绕组作为研究对象。如图1中间图所示，第一套ABC绕组和第二套abc绕组中性点相互独立，之间相隔30°角。

六相电机在自然坐标系下的方程非常复杂，是一个强耦合系统。根据从自然坐标系到两相旋转坐标系下的坐标变换和电路等效，可简化如图2。

图2中，带d1和d2下标的量分别代表六相电机两套绕组在两相旋转坐标系d轴下的分量，带q1和q2下标的量分别代表六相电机两套绕组在两相旋转坐标系d轴下的分量。带d和q下标的量分别代表将六相电机双绕组等效为单绕组后在d轴、q轴下的分量。Rs为定子绕组，L1l、L12l、Lm为绕组漏感。

2 控制策略

在六相电机等效模型基础上，可以将六相电机等效成两套发电机进行控制，本研究选用双母线PWM变流器控制。两套PWM变流器结构和功能相同，但直流母线相互独立。变流器中的电机侧部分对六相电机进行转速控制，以实现风力的最大功率跟踪;电网侧部分维持母线电压恒定，同时使变流器发出的电压和电流维持在功率因数1状态，保证与工频电网的顺利并网。

电机侧变流器控制为转矩、电流双闭环控制。转矩外环用来控制六相电机发出的功率，电流内环用来控制d轴电流为零。电机侧变流器控制方程为：

3 多相电机仿真

根据第1部分建立的六相电机模型开展仿真分析。电机参数为定子电阻Rs=0.5Ω，Lmd=Lmq=8.44mH，定子绕组漏感L1l=0.17mH，两套绕组之间互漏感L12l=0.48mH。电机级对数np=8，转子磁极磁链ψf=1.2V·s。以转速为给定量，在0.5s时给定转速由0开始上升，0.25s时达到额定转速的80%，0.45s时再降为额定转速的60%。

电机输出的六相电压UA、UB、UC、Ua、Ub、Uc如图3所示，可以看出电机输出的电压为六相，波形为正弦波。

将第一套绕组A相电流iA和第二套绕组a相电流ia作对比，可以看出两者变化一致，且相差一定的电角度。

4 发电系统仿真

根据第2部分建立的电机侧变流器、电网侧变流器模型，建立多相发电机系统仿真模型。设定风机初始给定转矩为220N·m，在0.5秒的时候变为原来的80%，到0.8秒时再恢复到初始值，设定变流器母线电压设定为600V。观察模型运行情况。

图5为双母线PWM变流器直流母线电压波形，可以看出，在外界风能变换时，系统母线电压能保持600V恒定，且恢复时间短，相应跟踪能力迅速，电压外环控制有效。

图6为六相电机两套绕组电流波形，可以看出，两者幅值相同、变换一致，证明了两套PWM变流器控制效果一致，且电压内环控制有效。

5 结束语

本文针对多相发电机进行了仿真和研究。以六相电机为例，分析了电机数学模型，并结合风电变流器进行了控制策略推导。所建立的模型运行平稳，系统动态特性良好，电压、电流波形规整，为多相发电机的应用推广奠定了良好的理论基础。

参考文献

[1]毛翔.海上风力发电用多电平中压变流器的研究[D].西南交通大学硕士学位论文，2013.

[2]林渭勋.现代电力电子电路[M].2006.

[3]林飞.电力电子应用技术的Matlab仿真[M].2009.