基于永磁同步发电机可控整流稳压发电系统研究

牛建民，卢亚辉，徐保荣

（中国人民解放军32184部队，北京 100071）

0 引言

永磁同步发电机电源系统的发电机常由发动机带动输出电能，发电机输出电压与频率基本与其转速成正比，输出电压幅值也会随输出端负载的变化而波动，这使得宽转速、宽功率变化范围内的恒压发电控制成为急需解决的问题。双环可控整流发电系统即电压外环、电流内环可控整流发电系统，是一种常见的独立电源系统恒压发电控制策略。双环可控整流发电系统在恒转矩区及轻度弱磁区可稳定控制，当转速升高后，发电机反电势大于直流母线电压，交直轴电流调节器就会震荡导致不稳定[1-3]，系统难以实现高速深度弱磁运行。

本文采用小信号模型法对双环可控整流发电系统稳定性进行了分析，得出了影响系统稳定的PI参数区间。验证了双环可控整流发电系统在恒转矩区及轻度弱磁区可实现较好的控制效果，但随着电机转速上升，系统难以实现高速深度弱磁运行，PI参数对系统稳定性有较大影响[4-5]。

在此基础上提出了采用基于电流幅值控制的直接电压角度可控整流发电方式去掉电流内环，从根本上解决了电流环交叉耦合及饱和失控问题，实现深度弱磁运行，并实现了低速运行时双环可控整流发电与高速弱磁时直接电压角度之间的平滑切换。通过仿真与实验验证，该方法可实现永磁同步电机在宽转速、宽功率变化范围内的恒压发电输出。

1 双环发电控制及其稳定性

永磁同步发电机（PMSG）电压方程为：

PMSG发电系统通过电压环调节电流指令，再通过电流环调节完成内环控制，构成双环调节系统，如图1所示。

图1 PMSG双环控制框图

由式（1）可得：

将式（2）变换到s域内，则：

将式（3）变形可得：

对电机转矩方程进行小信号分析，则：

其中：

变换到s域内，则：

对输出功率进行小信号分析，则：

将式（11）变换到s域内，则：

解得：

其中：

得出稳态工作点。

将式（9）变换到s域内，则：

对式（12）进行小信号分析，并变换到s域，则：

其中：

为简化分析，忽略电机模型中交叉耦合影响（实际中可以通过解耦控制实现），假设系统电机为隐极机，则Ld＝Lq，Km＝0，可得出系统闭环传递函数框图如图2所示。

图2 双环控制系统传递函数

可得到简化的系统小信号模型为：

通过计算并简化系统的特征方程，由经典控制理论可知，对于线性定常系统可以用劳斯判据来分析系统的稳定性。根据劳斯判据，可分析系统稳定的充分必要条件。

在电机参数已知如表1 所示的情况下，可以分析PI 参数对系统稳定性的影响，从而指导实际系统中PI 参数的设计。以电压外环PI 参数为例，当kpu＞0.001 34 时，系统所有特征根位于s 平面左半侧，可以稳定运行，系统根轨迹如图3所示。

通过参数选取可知，双环可控整流发电系统在恒转矩区及轻度弱磁区可实现较好的控制效果，但随着电机转速上升，系统难以实现高速深度弱磁运行，PI 参数对系统稳定性有较大影响。

选取电机及系统参数如表1所示。

图3 kpu为参量系统根轨迹

表1 电机及系统参数

在稳态工况下，当转速一定时，电压工作点与电流工作点之间具有一一对应关系，并应满足下式所示的电压矢量幅值关系以及电流极限方程。

对式（16）进行处理得出下式：

在恒压发电控制过程中，恒压控制要求电压保持不变，若此时转速同样保持不变，则在式（17）中电压椭圆应保持不变，而采用双环电流控制的方式就要求通过电流控制器调节实现电流工作点与电压工作点之间的对应，如图4所示。

图4 电流平面内电流环恒压控制工作轨迹

由此可以看出，采用电流内环控制电流工作点在电流平面内沿着电压椭圆移动，当转速升高，仍保持恒压输出恒功率输出时，电压椭圆变小，然而恒功率输出要求电流圆保持不变，就会造成转速升高后稳定区域变小，直至失稳。

2 电压角度控制

由电压矢量可得交直轴电压为：

基于电压角度控制即用调节器得出电压角度，再由电压矢量得到交直轴电压，如图5所示。

图5 电压角度控制框图

在电压角度控制中，外环电压环内环通过电流调节器得到电压角度。直流侧电压给定与检测到的直流侧电压实际值做差构成电压外环，输出空间电压矢量vs与d轴的夹角β，进而计算出ud和uq。

建立系统小信号模型，推导闭环传递函数[6-7]为：

其中：

根据劳思判据，系统稳定条件的充分条件为：

3 切换控制

双环可控整流发电系统与直接电压角度控制发电系统之间存在控制状态切换，用VAC_flag表示两种系统的切换状态：

（1）初始状态VAC_flag＝0；

（3）VAC_flag＝0时，系统运行双环控制算法；VAC_flag＝1时，系统运行电压角度控制算法。

在工程应用中，永磁同步发电机电源系统跟随响应发动机转速，需要具备宽转速、宽功率变化范围内的恒压发电控制能力。通过图6切换控制技术，在低速运行时，系统运行双环控制算法，满足切换要求时，系统运行直接电压角度控制算法。

图6 切换控制逻辑框图

4 仿真结果

在Simulink平台搭建仿真系统，仿真参数如表1所示。仿真中，转速从1 000 r/min 升高至3 300 r/min，再降回1 000 r/min，系统稳压输出270 V，如图7 所示，满足转速变化时发电输出稳压需求。

图7 输出电压波形

5 实验结果

实验中，电机参数如表1 所示，实验输出功率为15 kW，转速从1 000 r/min升高至最高转速3 300 r/min。图8所示为电机相电压波形、输出电压波形及电机相电流波形。系统完成了从双环可控整流发电系统到直接电压角度发电系统之间控制状态的平滑切换，且在高速深度弱磁状态下，电压波形平稳，满足宽转速范围下恒压发电需求，同时其内环参数满足系统稳定的充分条件。

图8 稳态波形

6 结束语

本文针对双环可控整流发电系统随着电机转速上升存在稳定性的问题，通过推导双环可控整流发电系统稳定性，指出了PI参数对双环发电系统稳定范围的影响；提出了采用基于电流幅值控制的直接电压角度可控整流发电；实现了深度弱磁运行及低速运行时双环可控整流发电与高速弱磁时直接电压角度之间的平滑切换。通过仿真与实验验证，该方法可实现永磁同步电机在宽转速、宽功率变化范围内的恒压发电输出。