混合勵磁同步發電機交流勵磁的矢量控制

劉明基，張曉燕，李 理

(華北電力大學，北京102206)

0 引 言

永磁發電機由于具有高功率密度、高可靠性、小體積等優點，在節能方面具有獨特的優勢，但其磁場不易調節，導致輸出電壓隨轉速或負載變化而變化，影響供電質量［1］。混合勵磁同步發電機(以下簡稱HESG)在永磁發電機的基礎上加入輔助電勵磁，通過調節電勵磁磁場維持輸出電壓穩定。HESG 在車載獨立電源和備用電源方面擁有廣闊的應用前景［2］。

目前大量研究中的HESG 主要區別在于勵磁結構的不同，輔助勵磁普遍采用直流勵磁。文獻［3］提出的磁分路式徑向結構混合勵磁同步發電機存在徑向磁通和軸向磁通，利用磁分路結構調節氣隙磁場大小，勵磁繞組放置于固定在電機端殼上的導磁環中，實現了無刷勵磁;但軸向磁路存在附加氣隙。文獻［4］中的雙定子混合勵磁同步發電機在轉子內設計了一個內定子和一套直流無刷勵磁裝置，嵌放有勵磁繞組的勵磁支架固定在電機端殼上，實現無刷勵磁。文獻［5］中混合勵磁發電機的勵磁繞組裝在轉子上，采用旋轉整流器實現勵磁無刷化，但結構較為復雜。

本文提出一種直接采用交流勵磁的HESG 結構［6］，介紹了HESG 的結構和工作原理，建立了HESG 的數學模型，提出一種利用電壓空間矢量將電勵磁磁場定向于d 軸，實現用最小的電勵磁電動勢得到最佳電壓調整量的控制方法，并對勵磁控制系統進行仿真研究。

1 HESG 的結構與工作原理

1.1 HESG 的結構

本文提出的HESG 的結構示意圖如圖1 所示，該發電機在同一機殼內有永磁電機和電勵磁結構兩部分組成，兩部分沿軸向并列安裝，磁路彼此獨立，但共用一套定子電樞繞組，電樞繞組為常規的三相對稱繞組。永磁部分為傳統的表面磁鋼或內置式永磁發電機結構。電勵磁部分采用交流勵磁結構，電勵磁定子鐵心上三相勵磁繞組與電樞繞組嵌放在同一定子槽內，并具有相同的分布形式和極對數(如圖2 所示)，電勵磁繞組和電樞繞組之間是類似于變壓器原、副邊繞組之間的強耦合關系，電勵磁效率高。在電勵磁部分的定子鐵心內圓增加導磁環作為內磁軛，為電勵磁磁場和電樞電流磁場提供通路［6－7］。這種HESG 相對直流勵磁的HESG 在控制方式上稍復雜，但其結構簡單，實現無刷勵磁，由于采用并列結構，永磁體不存在由于輔助勵磁引起退磁的危險，并且電勵磁部分沒有工作氣隙和附加氣隙，電勵磁效率高。

圖1 并列結構HESG 的結構圖

圖2 HESG 中電樞繞組與勵磁繞組分布示意圖

1.2 工作原理

混合勵磁發電機中，永磁發電機部分承擔主要的功率輸送和端電壓輸出，電勵磁部分用于輔助調節發電機端電壓穩定。輔助勵磁的三相勵磁繞組中通入對稱的勵磁電流，在電勵磁部分的空間中形成圓形旋轉磁場，與永磁電機部分永磁體產生的磁場軸向并列分布，這兩部分磁場分別在電樞繞組中感應電動勢和，相量相加后得空載電動勢，如式(1)所示。永磁轉子以內置式永磁體為例的HESG 電動勢平衡方程式如式(2)所示。可以看出，當負載變化時，輸出電壓也隨之變化，通過調節交流勵磁電流的大小和相位，即調節電樞繞組中電勵磁感應電動勢的大小和相位，保證輸出電壓穩定［6］。

式中:Xd、Xq分別為直軸、交軸同步電抗;Id、分別為電樞電流的d、q 軸分量。

2 HESG 的數學模型

本文提出的混合勵磁發電機結構特殊，相比傳統永磁發電機在電勵磁部分的定子上增加了三相勵磁繞組;與雙饋發電機的數學模型有相似之處［8］，但和雙饋發電機的區別在于后者提供勵磁的轉子繞組是旋轉的，而本文HESG 的勵磁繞組是固定不動的。因此該HESG 的數學模型可以參考永磁發電機和雙饋發電機的數學模型來建立。理想條件下規定，電樞繞組電壓、電流正方向取發電機慣例，勵磁繞組電壓、電流正方向取電動機慣例［9］。永磁部分以內嵌式轉子結構為例，混合勵磁發電機在d、q 同步旋轉坐標系下的磁鏈方程:

電壓方程:

電磁轉矩和運動方程:

式中:uds、uqs為電樞電壓的d、q 軸分量;udf、uqf為勵磁電壓的d、q 軸分量;ids、iqs為電樞電流d、q 軸分量;idf、iqf為勵磁電流d、q 軸分量;Lds、Lqs為電樞繞組的d、q 軸電感;Lf為勵磁繞組電感;Lm為電樞繞組和勵磁繞組之間的互感;Rs為電樞繞組電阻;Rf為勵磁繞組電阻;ω 為轉子旋轉電角速度;ψmf為永磁體磁鏈;p 為電機極對數;Tem為發電機的電磁轉矩。

3 交流勵磁控制策略

將電勵磁部分產生的磁場定向于d 軸，即與永磁體的磁場同相位或反相位，這兩部分磁場在電樞繞組中感應的電動勢同相位或反相位，可直接進行標量疊加得到空載電動勢E0，即:

當輸出電壓變化時，僅需改變電勵磁電動勢的大小保證輸出電壓穩定，用最小的電勵磁電動勢得到最佳電壓調整量。在圖3 所示的HESG 電動勢相量圖中，電勵磁電動勢與永磁電動勢不同相位，為得到同樣大小的合成電動勢E0，需要調節的電勵磁電動勢E'0e比同相位時的E0e大，即E0e＜E'0e。當輸出電壓低于給定電壓，調節勵磁電流使之產生的電勵磁磁場與永磁體產生的磁場同相位，起增磁作用，如圖3(a)所示;當輸出電壓高于給定電壓，調節勵磁電流使之產生的電勵磁磁場與永磁體產生的磁場反相位，起去磁作用，如圖3(b)所示。

圖3 HESG 的電動勢調整相量圖

本文提出一種利用電壓空間矢量將電勵磁磁場定向于d 軸的控制策略。當混合勵磁發電機的三相電勵磁繞組施加正弦電壓時，用合成空間矢量表示的勵磁電壓方程:

式中:Uf、If和ψef分別為勵磁繞組三相電壓、電流和磁鏈的合成空間矢量。

忽略勵磁繞組的電阻壓降，勵磁電壓空間矢量與磁鏈空間矢量的近似關系:

由式(8)可知，當勵磁電壓頻率一定，電勵磁磁鏈ψef的大小幾乎決定于所加電勵磁電壓空間矢量Uf的大小，并且在方向上Uf超前ψef90°［10］。

混合勵磁發電機勵磁控制系統的原理圖如圖4所示。在圖4 中，檢測到的發電機輸出電壓和電壓指令作比較，經PI 控制器，輸出勵磁電壓調節量的大小;檢測永磁磁鏈的位置，并在此基礎上加90°作為勵磁電壓調節量的方向，根據勵磁電壓空間矢量與勵磁磁鏈空間矢量之間的關系，可知此時電勵磁磁鏈與永磁磁鏈在同一直線上，從而將電勵磁磁場定向在d 軸。確定勵磁電壓調節量的大小和方向后，可得到復數表示的勵磁電壓調節量的空間矢量值，經過SVPWM 輸出開關信號驅動三相電壓型逆變器，通過改變SVPWM 開關信號的脈沖寬度，控制勵磁繞組中的交流勵磁電壓的相位和大小，最終使發電機輸出電壓跟蹤給定電壓指令。

圖4 HESG 勵磁控制系統原理圖

4 仿真研究及結果分析

4.1 混合勵磁同步發電機的MATLAB 模型

根據式(3)～式(5)建立混合勵磁發電機的仿真模型，為了將仿真模型封裝成與實際電機相同的輸出形式，在模型的輸入端和輸出端增加坐標變換環節，將d、q 坐標系下的兩相電壓變換為三相電壓。為了與發電機的電氣負載連接，使用受控電壓源模塊，實現數學模型與電路拓撲模型的轉換［11］。建立的發電機仿真模型如圖5 所示，其中核心子模塊Subsystem 根據HESG 的數學模型搭建，在封裝后的子模塊對話框中可對發電機中的各參數進行設置。

圖5 HESG 的MATLAB 模型

4.2 勵磁閉環控制系統的仿真及結果分析

為了驗證所建立的HESG 仿真模型及提出的勵磁控制策略的正確性，運用MATLAB/Simulink 進行仿真分析。HESG 仿真參數設置如表1 所示。電壓指令設置為220 V，額定負載10 kW，功率因數0.8，并使HESG 在不同時刻切換為不同負載，負載切換情況如表2 所示。混合勵磁發電機應用于獨立供電系統時，首先需要空載起動，當達到一定轉速時再切入勵磁控制回路，發電機輸出恒壓恒頻的端電壓后投入負載。仿真中，積分環節模擬發電機的起動過程，當輸出的空載電壓達到220 V 時，投入勵磁控制回路。通過永磁發電機的設計，確定HESG 的勵磁工作點，使HESG帶50%額定負載時，僅依靠永磁部分勵磁，電勵磁部分提供的磁鏈為0，確定此時永磁體磁鏈ψmf=1.082 Wb。

表1 HESG 仿真參數

為了對比研究HESG 和永磁同步發電機(以下簡稱PMSG)在相同負載變化情況下輸出電壓情況，在另一模型中僅將HESG 的勵磁電壓設置為0，勵磁繞組與電樞繞組之間的互感Lm近似設置為0，此時HESG 相當于PMSG。HESG 和PMSG 仿真得到的輸出電壓有效值如圖6 所示。可以看出，PMSG的輸出電壓隨負載變化而變化;HESG 的輸出電壓穩定在220 V，每次負載變化時，通過閉環控制系統對勵磁電壓進行調節保證了HESG 輸出電壓的穩定，勵磁系統每次調整后輸出電壓的穩態誤差為0。由圖6 的放大圖還可看出，在7 s 時刻，發電機所帶負載由80%額定負載變化為滿載，HESG 輸出電壓的超調量為1.5%，調整時間為0.7 s，表明該控制系統具有良好動態和穩態性能。混合勵磁發電機經勵磁控制系統的調節，輸出電壓能夠較好地跟蹤給定電壓，解決了永磁發電機輸出電壓不易調節問題。

圖6 HESG 和PMSG 輸出電壓有效值

本文提出的控制策略是利用勵磁電壓空間矢量的調節將電勵磁磁場定向于d 軸，即ψef=ψdf，ψqf=0。根據式(2)，忽略勵磁繞組電阻壓降，穩態時，udf≈0，uqf≈ωψef，即勵磁電壓d 軸分量為0，勵磁電壓q 軸分量與電勵磁磁鏈成正比。

圖7 給出了勵磁電壓d、q 軸分量的變化曲線。仿真系統切入勵磁回路前，勵磁電壓d、q 軸分量均為0，負載變化時勵磁電壓d 軸分量始終為0，q 軸分量隨負載變化，驗證了所提出的控制策略確實將電勵磁磁鏈定向在d 軸，實現用最小的電勵磁電動勢達到最佳電壓調整量。根據混合勵磁發電機的設計，空載時，輔助電勵磁需起強去磁作用，圖7 中穩定后的勵磁電壓q 軸分量為－35.2 V，電勵磁部分提供較大的反向磁場;帶50%額定負載時，僅依靠永磁部分勵磁就能輸出額定電壓，勵磁電壓q 軸分量為0，電勵磁部分提供的磁鏈為0;帶80%額定負載和額定負載時，輔助電勵磁需起增磁作用，勵磁電壓q 軸分量分別為22 V 和36.9 V，電勵磁部分提供正向磁場。HESG 勵磁電壓的具體調節情況如表2 所示，仿真結果與理論分析相一致。

圖7 HESG 勵磁電壓d 軸及q 軸分量

表2 HESG 勵磁電壓調節情況

5 結 語

(1)提出了一種直接采用交流勵磁的混合勵磁同步發電機結構，詳細介紹了其結構特點和電壓調節原理。

(2)在建立的混合勵磁同步發電機d、q 坐標系下數學模型的基礎上，提出利用勵磁電壓空間矢量對電勵磁磁場進行定向于d 軸的控制策略。分析表明，該控制策略用最小的電勵磁電動勢實現了最佳電壓調整量，并且電勵磁磁鏈與勵磁電壓q 軸分量uqf成正比，發電機輸出電壓的調節取決于勵磁電壓的q 軸分量。

(3)對發電機及勵磁控制系統進行建模、仿真。仿真結果與理論分析相一致，負載變化時，輸出電壓能夠跟蹤給定電壓為負載提供恒定電壓，并且該系統具有良好的動態和穩態性能。

本文為交流勵磁混合勵磁同步發電機控制策略研究、建模和仿真提供了一種有效的方法，為后續實際控制系統的設計與實現奠定了理論基礎。

［1］ 任光法. 混合勵磁同步發電機勵磁控制系統的研究與設計［D］. 長沙:湖南大學，2005.

［2］ 朱孝勇，程明，趙文祥，等.混合勵磁電機技術綜述與發展展望［J］.電工技術學報，2008，23(1):30－40.

［3］ 趙朝會，秦海鴻，張卓然，等.磁分路式徑向結構混合勵磁同步發電機的結構及原理分析［J］. 中國電機工程學報，2008，28(11):145－151.

［4］ 劉細平，鄭愛華，王晨.雙定子混合勵磁同步發電機電磁設計分析及實驗研究［J］.電機與控制學報，2012，16(7):22－29.

［5］ 徐軼昊.新型旋轉整流器式混合勵磁無刷交流同步電機研究［D］.南京:南京航空航天大學，2010.

［6］ 劉明基，宋中陽，羅應立，等.無電勵磁轉子的并列結構混合勵磁同步發電機:中國，201010538465.4［P］.2011－05－18.

［7］ Liu Mingji，Ji Yang，Cai Zhongqin，et al.Research on the modeling and simulation of coordinate structure hybrid excitation synchronous generator with AC excitation［C］//The 2nd International Conference on Electrical and Control Engineering.2011.

［8］ 趙梅花，阮毅，楊勇，等.直驅式混合勵磁風力發電機發電系統控制策略研究［J］. 電力系統保護與控制，2010，38(12):19－24.

［9］ 鄒旭東，趙陽，柳彬，等.獨立運行雙饋發電機矢量控制技術研究［J］.中國電機工程學報，2007，27(12):71－77.

［10］ 陳伯時.電力拖動自動控制系統－運動控制系統［M］. 3 版.北京:機械工業出版社，2008:175－182.

［11］ 張卓然，楊春源，楊善水，等. 混合勵磁同步電機電抗計算與建模［J］.南京航空航天大學學報，2010，42(2):146－153.