（电力电子与电力传动专业论文）交流同步电机矢量控制系统研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：e n e r g ya n de n v i r o n m e n ta r et h eu r g e n c yp r o b l e mt os o l v ef o rh u m a n s u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t w i n de n e r g y , a sac l e a nr e n e w a b l ee n e r g y , h a sa t t a c h e dg r e a t i m p o r t a n c et oa l lc o u n t r i e si nt h ew o r l d a cs y n c h r o n o u sm o t o ri nt h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mh a sab r o a da p p l i c a t i o n i nt h i sp a p e r , a st h es t u d yb a c k g r o u n do f o v e r1 5 m wt h es t r a i g h td r i v ew i n d - p o w e ru n i tc o n t r o ls y s t e m sa n dm o d u l a rm u l t i p l e p a r a l l e lc o n v e r t e rd e v e l o p m e n t , s y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi ss t u d i e d a tt h ef i r s to ft h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h es u b j e c tb a c k g r o u n d , i n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no f a cs y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri nt h ew i n dp o w e rs y s t e m t h em a i nc i r c u i ts t r u c t u r e so f s y l l c l l i 0 n o u sg e n e r a t o ri nd i r e c t - d r i v ew i n dp o w e rs y s t e ma l eg i v e n t w ot y p e so f m o t o r c o n t r o l ，v e c t o rc o n t r o la n dd i r e c tt o r q u ec o n t r o la l ei n t r o d u c e d s e c o n d , s y n c h r o n o u sm o t o ra n dc o n t r o lt e c h n o l o g ya r es t u d i e d t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo fa cs y n c h r o n o u sm o t o ri nt h et w o - p h a s es y n c h r o n o u sr o t a t i n gc o o r d i n a t ei s d e r i v e do f , a n de s t a b l i s h i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o t o r - s i d ec o n v e r t e r a n d t h ea cs y n c h r o n o 璐m o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mb l o c kd i a g r a m sa r eg i v e n v e c t o r c o n t r o lt e c h n o l o g yi ss p e c i f i c a l l ya n a l y z e d t h e ns t u d yt h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs e n s o r - l e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y t h er e a l i z a t i o n , t h ed i f f i c u l t i e sa n dc o p i n gs t r a t e g i e so fp o s i t i o ns e n s o r - l e s sc o n t r o lt e c h n o l o g i e sa l e p r e s e n t e d t h i st h e s i sh i g h l i g h t st h eu s eo fs e n s o r - l e s sc o n t r o lt e c h n o l o g y 、 as i m u l a t i o ns t u d yi na cs y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nd o n e s i m u l a t i o no ft h ec o n t r o l s y s t e m w i t l l p o s i t i o n s e n s o ri np o w e r - d r i v e na n d p o w e r - g e n e r a t e dm o d ei si n t r o d u c e d a tt h es a n l et i m e ，f u r t h e ra n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n o fs e n s o r - l e s sv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi np o w e rg e n e r a t i o nm o d eh a v eb e e nd o n e f i n a l l y , w i t ht h es u b j e c tb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rs e tu pad i r e c t - d r i v e np e r m a n e n tm a g n e t s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rf o rw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mm o d e l ，h a sas i m u l a t i o no f f u l lp o w e r t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo ft h ea cs y n c h r o n o u sm o t o rv e c t o rc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p t h ep r o g r a mo fs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs e n s o r - l e s sv e c t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do n d s p 2 812c l a n g u a g ei sd e b u g g e d a l s oal o w - p o w e re x p e r i m e n to fd i r e c t - d r i v ew i n d p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mn e t w o r ks i d ei n v e r t e rh a sb e e nd o n e a tl a s tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ea n a l y z e d f i n a l l y , t h i st h e s i sh a sas u m m a r yo ft h ew h o l ew o r k ，p o i n t i n go u tt h ep r o b l e ma n d v 北京交通人学硕士学位论文 f u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d s ：a cs y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；s e n s o r - l e s s ；v e c t o rc o n t r o l ； c l a s s n 0 ：t m 6 1 4 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 撒敝储馘：彬捭醐：1 年7 肛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 训娩 导师签名： 掣唾 辩醐：1 年 肛日 辩聃：卅钉肛日 致谢 本论文的工作是在我的导师梁晖副教授的悉心指导下完成的，梁老师严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年多来梁 老师对我的关心和指导。 梁老师深厚扎实的理论功底让我佩服不已，她对我的课题和论文提出了许多 的宝贵意见，在她的悉心指导下，我完成了实验室的科研工作。梁老师待人的真 诚和善良使我深受感动，她在生活上给予我无微不至的关心和帮助，在此由衷地 感谢梁老师一直以来对我的包容、理解和支持。这份意如母女，胜似姐妹的师生 情将令我永生难忘! 在实验室工作及撰写论文期间，唐挺、胡敬之师兄对我课题前期理论学习， 硬件电路搭建给与了极大的帮助；石磊同学经常和我一起讨论使我受益匪浅，殷 振环同学在我撰写论文期间提出了很多宝贵意见；赵新师弟调试期间的帮助使我 获益颇多；在实验和撰写论文过程中还得到周倩、刘春海、徐佳园等师弟师妹的 热情帮助，在此深表感谢。 在研究生期间，和实验室的同学结下了深厚的友谊，衷心地感谢张宇星师兄 在我生活方方面面给予的指导和帮助，感谢徐凯师兄给我的关心和鼓励，也由衷 地感激实验室的其他兄弟姐妹们这两年多来对我的关爱，包容和照顾，一路有你 们相伴，真好! 我会把这份宝贵的亲情和友情铭记于心。 另外也感谢家人，感谢父母对我的选择的理解，他们的牵挂让我远在千里之 外依然感到温暖，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 研究生期间，承载了太多的关爱，衷心地祝愿所有爱我的和我爱的人，好人 一生平安! 绪论 i 绪论 1 1 研究背景 由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭，近来可再生能源的开 发利用越发受到重视，风能作为一种清洁的可再生能源，已经受到世界各国政府 的高度重视。在政府对风力发电研究开发的大力支持下，许多发达国家都开始了 大型风力发电机的研制，风力发电机也从早期的蓄电池充电方式向并网型发展。 随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的发展，风力发电 技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦 级机组；功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展；运行可 靠性从2 0 世纪8 0 年代初的5 0 ，提高到9 8 以上，并且在风电场运行的风力发 电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔，从内陆移 到海上。风能已成为一种重要的可再生能源。 目前，中、大型风力发电机组已在世界上4 0 多个国家陆地和近海并网运行， 风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。2 0 0 2 年欧洲风能协会( e w e a - e u r o p e a nw i n de n e r g ya s s o c i a t i o n ) 与绿色和平组织( g r e e n p c a c ei n t e r n a t i o n a l ) 发 表了一份标题为“风力1 2 ( w i n df o r c e1 2 ) ”的报告，勾画了风电在2 0 2 0 年达到 世界电量1 2 的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界 电力需求的增长和电网容量、风电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水 电等其他电源技术发展历程的比较以及减排c 0 2 等温室气体的要求，论证了风电 达到世界电量1 2 的可能性。报告还指出中国2 0 2 0 年风电装机有可能达到1 7 亿 千瓦。 在风力发电技术中，大型变速恒频风力发电技术已经成为其主要发展方向之 一。在目前的变速恒频风力发电系统中，使用双馈感应发电机( d f i g d o u b l ef e d i n d u c t i o ng e n e r a t o r ) 的双馈型系统占据主流地位，而使用永磁同步发电机( p m s g p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ) 的直驱型系统也正在得到越来越多的应 用。双馈型系统，其变流器容量( 转差功率) 只占系统额定功率的3 0 左右，发 电机高速运行，体积和容量较小，因而具有较低的成本；直驱型系统需要全功率 变流器，变流器容量即为系统额定功率，所需的低速p m s g 体积和重量较大，因 而具有较高的成本。但是双馈型系统需要增速齿轮箱，大量应用表明，齿轮箱是 风力发电系统中最容易发生故障的组件之一，并且维护复杂，噪声较大；而永磁 北京交通大学硕士学位论文 直驱型风力发电系统采用低速p m s g ，结构简单，不需要齿轮箱，机械损耗小， 效率高，便于维护，不需要外部励磁，在低风速下也可以高效率发电，并且易于 实现电网电压故障条件下风力发电系统的不间断并网运行，直驱型风力发电系统 的发展非常快u j 。 基于以上背景，本文以“十一五 国家科技支撑计划项目“1 5 m w 以上直驱 式风电机组控制系统及模块化多重并联变流器的研制”为研究背景，围绕交流同 步电机矢量控制技术展开研究，并通过仿真和实验对研究成果进行了充分验证。 1 2 交流同步电机及其控制系统 1 2 i 交流同步电机介绍 电力电子技术的进步促进了现代电机控制技术的发展，交流电机作为现代交 流传动的调速系统，正发挥着越来越重要的作用。交流同步电机可分为电励磁同 步电机和永磁同步电机。电励磁同步电机具有功率因数可调、效率高优点；永磁 同步电机具有损耗小、效率高、结构简单、可靠性高等突出优点。 i 电励磁同步电机1 2 l 电励磁同步电机在发电和电机传动二方面均有广泛应用。例如欧洲空中客车 a - 3 8 0 飞机和美国波音公司的b 7 8 7 飞机主电源系统的核心均为电励磁同步发电 机；在地面工业中则存在着大量的电励磁同步电动机驱动系统，例如钢铁厂、水 泥厂、煤矿、风机、船舶推进系统中大量采用了电励磁同步电动机驱动系统为其 提供机械动力。迄今为止，世界上已有上千套轧机及矿井提升机传动采用了交流 变频电励磁同步电机调速系统。此外，负载换流交直交变频器广泛应用于锅炉鼓 风机、空压机以及抽水蓄能电站的大型电励磁同步电机变频起动，并应用于长距 离油气输送大功率高速压缩机的驱动。 电励磁同步电机的定子绕组可以用等效正交两个绕组表示，但转子上带有一 个通直流电流的励磁绕组，这个通直流的励磁绕组在气隙中产生磁链，定子感应 的旋转磁场在这个磁场的帮助下使转子随其一起旋转。直流励磁电流由静态整流 器通过滑环和电刷，或通过无刷励磁供给转子。由于转子总是以同步转速旋转， 所以同步旋转的由轴固定在转子上，其中d 轴对应于n 极，如图1 1 所示。在电 机稳态运行时，转子侧不受定子感应影响，转子的磁动势唯一由励磁绕组提供。 这使得电机在定子端可以以任意功率因数运行，即超前、滞后或单位功率因数。 而与其不同，异步电机转子励磁由定子提供，这使得电机功率因数总是滞后。 2 绪论 直轴 定子交轴等效弋毛 夼i ：、f 专慕定子直轴等效电 一j f 标1 。 f ，r 厂 一 | 、 1 i j ：。 子励磁绕组7 、一舅极 阻 图1 1 三相两极电励磁同步电机 f i g u r el lt h r e e - p h a s eb i p o l a re l e c t r i c a l l ye x c i t e ds y n c h r o n o u sm o t o r s 2 永磁同步电机 三相永磁同步电机是用稀土永磁体代替励磁绕组所构成的一种新型同步电 机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有 大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动与传统的电磁式同步电机相比，永 磁同步电机无需电流励磁，不设电刷和滑环，因此结构简单，使用方便，可靠性 高。同时永磁同步电机的效率比电磁式同步电机要高，并且其功率因数可设计在 1 0 附近。与鼠笼异步电动机相比，三相永磁同步电机的优点主要表现在以下三个 方面：高效节能；体积小、重量轻、功率密度高：转速与频率严格成正比。 三相永磁同步电机用永磁体代替了电励磁系统，从而省去了励磁绕组、集电 环和电刷，而定子与绕线转子同步电机基本相同。用于矢量控制时，为减少转矩 脉动，要求其感应电动势一定是正弦的，这也是永磁同步电机的一个基本特征。 永磁同步电机的转子结构，按永磁体安装形式分类，可有面装式，插入式和 内装式三种，如图1 2 所示。 面装式同步电机实质上属于隐极式同步发电机，永磁铁安装在转子表面，体 积较小，惯性也较小，转矩特性的线性度比较好。由于结构的原因，当电机运行 在高速区时，离心力比较小，因此永磁铁需要设置固定的保护环。 插入式和内装式的转子结构的同步电机，其直轴磁路磁通要通过两个永磁体， 交轴磁通仅仅通过气隙和定、转子铁芯，不通过永磁体，所以其交轴电感大于直 轴电感，属于凸极式同步发电机，由于永磁铁埋于转子内部，因离心力而使磁铁 3 北京交通大学硕士学位论文 飞出的问题也没有面装式严重。此外，它还能有效地避免永磁体失磁，适用于高 速运行，可作恒转矩控制，更适合弱磁运行。它具有较明显的凸极特性，因此其 转矩线性度比较差，但其磁阻效应可以用来提高电机效率和改善调速特性。 永磁材料的类型对电机结构和性能影响很大。最基本的永磁体有铁氧体、稀 土钴和钕铁硼三类，其中钕铁硼是种新型永磁材料，其矫顽力和剩磁一般高于稀 土钴，而成本又比稀土钴低得多，目前获得了广泛应用，可以说由于钕铁硼永磁 材料的产生和发展也促进了交流永磁同步电机的应用。 s a ) 面装式转子结构 n s b ) 插入式转子结构 n c ) 内装式转子结构径向充磁d ) 内装式转子结构横向充磁 图l - 2 永磁同步电机转子结构 f i g u r e1 - 2t h es t r u c t u r eo f p e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm o t o rr o t o r 1 2 2 交流同步电机在风力发电系统中的应用【1 】 交流同步电机广泛应用于风力发电系统中，主要体现在永磁同步电机在直驱 型风力发电系统中的应用。直驱型风力发电系统风轮与永磁同步发电机直接连接， 无需升速齿轮箱。首先将风能转化为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之 后变为直流，然后经过并网逆变器变换为三相交流电连接到电网。通过中间电力 电子变化环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功率跟踪、最大 效率利用风能，系统主电路结构有： 1 不可控整流+ b o o s t + 逆变方案 最典型的直驱型风力发电系统的主电路拓扑一般为：风力机与永磁同步发电机 4 绪论 直接连接，将风能转换为频率变化、幅值变化的交流电，经过整流之后变为直流 电，经过b o o s t 电路升压后，再经过三相逆变器变换为三相恒幅交流电连接电网。 通过中间电力电子变换环节，对系统有功功率和无功功率进行控制，实现最大功 率跟踪、最大效率利用风能，如图1 3 所示。 ! 一孟二聂毒!：d l g ，d c 变换器： 一o _ - 一 图1 3 风力发电系统不可控整流+ b o o s t + 逆变方案 f i g u r ei - 3w i n dp o w e rs y s t e mu n c o n t r o l l a b l er e c t i f i e r + b o o s t + i n v e r t e rp r o g r a m b o o s t 主电路一般由不可控整流电路、电感、开关管和滤波电容组成。其输入 侧有储能电感，可以减小输入电流纹波，防止电网对主电路的高频瞬态冲击，对 整流其呈现出电流源负载特性；其输出侧有滤波电容，可以减小输出电压纹波， 对负载呈现电压源特性。这种拓扑，在小功率和兆瓦级直驱型风力发电系统中均 有应用。 2 双p w m 背靠背方案 发电机定子通过背靠背变流器和电网连接。发电机侧变流器通过调节定子侧的 d 轴和g 轴电流，控制发电机的电磁转矩和定子的无功功率( 无功功率设定值为0 ) ， 使系统运行在变速恒频状态，额定风速以下具有最大风能捕获功能；网侧变流器 通过调节网侧的d 轴和g 轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功功率和无功功率 的解耦控制，控制流向电网的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。此外网 侧交流器还要保证变流器输出的t h d 尽可能小，以提高注入电网的电能质量。 背靠背双p w m 变流器结构是目前直驱型风力发电系统中较常见的一种拓扑， 国内外对其研究较多，主要集中在变流器建模、控制算法以及如何提高其故障穿 越能力等方面。这种拓扑的通用性较强，双p w m 变流器主电路完全一样，控制电 路和控制算法也非常相似；两侧变流器都使用基于d s p 的数字化控制，采用矢量 控制，控制方法灵活，具有四象限运行功能，可以实现对发电机调速和输送到电 网电能的优良控制，如图l - 4 所示。 5 北京交通大学硕士学位论文 - - - - - - ，毒囝 i - - 上 i - ) 黧j 【 t _ j 【 图1 _ 4 风力发电系统双p w m 背靠背方案 f i g u r e1 - 4w i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e md o u b l e - p w mb a c k - t o - b a c kp r o g r a m s 图中是一种基于双p w m 变流器的直驱型风力发电系统拓扑，这种系统的主要 特点为：发电机输出电压经过电机侧变流器变换为稳定的直流电压，然后通过网 侧变流器并入电网。网侧交流器输入侧电压由网侧变流器控制，系统有功功率由 电机侧传递到网侧。利用电机侧变流器对发电机定子电流进行控制，可以更好地 利用永磁同步发电机的特性，控制性能好，谐波含量低。 1 3 交流同步电机控制策略的研究现状 交流同步电机传动系统的控制是一个很大的研究课题，近年来该领域的技术有 了较大的进步。交流传动系统具有多变量、非线性、强耦合等特点，且本质上是 离散的，导致它的稳定性分析变得复杂。电机的各种控制技术，包括标量控制、 矢量或磁场定向控制、直接转矩和磁链控制以及自适应控制。由于电机定子各相 绕组之间、转子各相绕组之间以及定子绕组和转子绕组之间的耦合关系相当复杂， 对于要求动态特性较好的系统来说，矢量控制和直接转矩控制这两种控制方法较 好地满足了系统的要求。矢量控制的思想就是模仿直流电机的控制方法，对磁场 和转矩进行解耦的控制，以获得良好的控制特性。实现这种解耦控制必须做到磁 场定向，而磁场定向是由坐标变换所用单位矢量来保证的，因此单位矢量的获得 是矢量控制的关键。直接转矩控制是一种采用电压型p w m 变频器直接对转矩和磁 通进行控制的方法。这种方法是依据转矩和定子磁通的现状，查表选择最佳的变 频器电压空间矢量，通过对定子磁链的控制来实现的。由于直接转矩控制不需要 进行静止坐标系与旋转坐标系之间的变换，避免了矢量控制中转子磁链难以准确 定向，系统特性易受电机参数尤其是转子参数变换的影响等问题，因此直接转矩 控制作为一个比矢量控制结构简单的，且有着与矢量控制相当的性能的控制方法， 近年来得到广泛的应用。 6 绪论 1 3 1 矢量控制【3 】 1 9 7 1 年，由德国b l a s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制理论 ( t r a n sv e c t o rc o n t r 0 1 ) ，从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。 其基本思想是在普通的三相交流电动机上设法模拟直流电动机转矩控制的规律， 在磁场定向坐标上，将电流矢量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转 矩电流分量并使两分互相垂直，彼此独立，然后分别进行调节。这样交流电机的 转矩控制，从原理和特性上就和直流电机功能相似了。因此矢量控制的关键仍是 对电流矢量的幅值和空间位置( 频率和相位) 的控制。 矢量控制的目的是为了改善转矩控制性能，而最终实施仍然要落实到对定子 电流( 交流量) 的控制上。由于在定子侧的各物理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，调节、控制和计算均不方便。 为此，需借助于坐标变换使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系，站在 同步旋转的坐标系上观察，电机的各空间矢量都变成了静止矢量，在同步坐标系 上的各空间矢量就变成了直流量，可以根据转矩公式的几种形式，找到转矩和被 控矢量的各分量之间的关系，实时地计算出转矩控制所需的被控矢量的各分量值一 直流给定量。按这给定量实时控制，就能达到直流电机的控制性能。由于这些直 流给定量在物理上是不存在的，是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过 程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定 量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。简单的说 所谓矢量控制就是将用静止坐标系所表示的电机矢量变换到以气隙磁场或转子磁 场定向的坐标轴系。这里选用转子磁场定向方法：三相电流t ，瓦，i c 经过由三相静止 坐标系到两相垂直静止坐标系筇轴，再由两相静止坐标系到两相旋转坐标系由轴 的变换，并使d 轴沿着转子磁链的方向，则交流电机就变成了由励磁电流分量和 转矩电流分量i 。分开控制的直流电机。按照直流电机的控制方法，求得控制量后， 再经过坐标反变换，就能控制交流电机。 交流同步电机的用途不同，电机电流矢量的控制方法也有所不同。可采用的控 制方法主要有：= o 控制，c o s 矽= 1 控制，恒磁链控制，最大转矩电流控制，弱 磁控制，最大输出功率控制等。不同的控制方法具有不同的优缺点，如= o 控制 最为简单，c o s 矽= 1 控制可降低与之匹配的逆变器容量，恒磁链控制可增大电动机 的最大输出转矩。 1 屯= 0 的控制 对电机进行i 。= 0 控制时，定子电流中只有交轴分量。相应地电磁转矩中只有 转矩分量而不包含磁阻转矩，且定子磁动势矢量与永磁体磁场矢量正交。采用该 7 北京交通大学硕士学位论文 方法时，电枢反应没有直轴去磁分量不会产生去磁效应，因此不会出现因退磁而 使电机性能变坏的现象，所以能保证电磁转矩和电枢电流成正比。实际系统中常 按转子磁链定向来设计调速系统，定子电流与转子永磁体磁通互相独立( 解耦) ， 因此控制系统简单、转矩特性好，可以获得很宽的调速范围。 2 最大转矩，电流控制 最大转矩电流控制也称为单位电流输出最大转矩的控制，它是凸极永磁同步 电机用的较多的一种电流控制策略，即控制以追求最大转矩。该控制方法在电 机输出转矩满足要求的条件下使定子电流最小，减小了电机的铜耗，有利于逆变 器开关器件工作。运用该控制方法逆变器需要的输出电流小，可以选用输出较小 电流的逆变器，使系统运行成本下降。在该方法的基础上，采用适当的弱磁控制， 可以改善电机高速运行时的性能。因此该方法是一种较适合永磁同步电机的电流 控制方法，其缺点是功率因数随着输出转矩的增大下降较快。 3 弱磁控制 在电机电压达到逆变器所能输出的电压极限之后，要想继续提高转速，就必 须通过调节屯和j 。来实现。增加d 轴去磁电流分量( 作为负值励磁电流) 和减小垡轴 电流分量，都可以保持电压平衡关系，达到弱磁效果。考虑到电机相电流有一定 的极限，增加而保持相电流值，就要减小f 。，因此通常采用增加去磁电流的方法 来实现弱磁增速。 但是，对于永磁同步电机而言，由于稀土永磁材料的磁阻很大，利用电枢反 应弱磁的方法需要较大的定子电流直轴去磁分量，因此常规的永磁同步电机在弱 磁恒功率区运行的效果很差，只有在短期运行时才可以接受。 4 e o s 矽= 1 控制方法 该方法使电机的功率因数恒为l ，逆变器的容量得到充分的利用。由于转子 励磁不能调节，在负载变化时，转矩绕组的总磁链无法保持恒定，所以电枢电流 和转矩之间不能保持线性关系。而且最大输出转矩小，退磁系数较大，永磁材料 可能被去磁，造成电机电磁转矩、功率因数和效率的下降。 1 3 2 直接转矩控制 直接转矩控制简称d t c ( d i r e c tt o r q u ec o n t r 0 1 ) ，是在2 0 世纪8 0 年代中期继矢 量控制技术之后发展起来的一种高性能交流电动机变频调速技术。1 9 7 7 年美国学 者a b p l u n k e t t 在i e e e 杂志上首先提出了直接转矩控制理论，1 9 8 5 年由德国鲁 尔大学d e p e n b r o c k 教授和日本t a n k a h a s h i 教授分别取得了直接转矩控制应用的成 功，接着在1 9 8 7 年又把直接转矩控制推广到弱磁调速范围。直接转矩控制具有鲁 8 绪论 棒性强、转矩动态响应快、控制结构简单等优点。 直接转矩控制技术利用空间矢量和定子磁场定向的分析方法，基于定子的两 相静止参考坐标系来分析交流电机的数学模型，传统的方法是采用离散的两点 式调节器( b a n d - b a n d 控制) ，对定子磁链和电磁转矩实施砰砰控制。即将两者的脉 动设制在预定的范围内，一方面，调节器将转矩检测值与给定值作比较，当比较 结果超过调节范围上下限时，由于反馈作用，直接决定逆变器输出电压空间向量 的数字控制量就会发生相应的变化，使转矩波动被限制在一定的容差范围内( 容 差大小由频率调节器来决定) ；另一方面，维持定子磁链沿着给定轨迹( 预先设计的 六边形或圆形等1 运动，并产生p w m 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进 行控制，这样形成了电磁转矩和定子磁链的直接闭环系统，。以获得高动态性能的 转矩输出。 为了降低甚至消除低速时的转矩脉动，提高转速和转矩控制精度，扩大系统 的调速范围，业界近年来提出了许多新型的直接转矩控制系统方案： 1 直接转矩无差拍控制 直接转矩无差拍控制方法是由美国人t c x h a b e t l e r 基于离散化直接转矩控制 系统首先提出来的。从理论上讲，无差拍控制的优点是，一方面由于这种控制方 法没有使用滞环比较器，从而消除了因滞环比较器而产生的转矩脉动，因而可以 在一个控制周期内完全消除定子磁链模值和电磁转矩的动、静态误差，使电机可 以运行在极度低速下，扩大了调速范围；另一方面可以提高逆变器的开关频率， 并且使开关频率相对固定，这有利于减少电压谐波和电机噪声。而其缺点是，在 实现过程中需要判断是否存在满足控制要求的定子电压矢量，增加了控制算法的 计算量和实现难度。同时，和传统的直接转矩控制相比，这种控制方法也增加了 控制系统对电机参数的依赖性。 2 转矩( 磁链) 跟踪预测控制 为了减小直接转矩无差拍控制方法的计算量，出现了一系列简化无差拍直接转 矩控制的方法，其中比较典型的是转矩跟踪预测控制方法。它和t gh a b e t l e r 教授 提出的无差拍控制方法相比，优点是，一方面这种无差拍控制方法简化了许多： 另一方面这种无差拍控制方法降低了实现难度。如果对磁链和转矩都进行预测跟 踪控制，其控制效果将明显优于单纯的转矩跟踪预测控制，既消除了转矩脉动， 又不会产生磁链畸变，同时也没有显著的增加控制算法的计算量。其缺点是和无 差拍控制方法一样，这种控制方法也增加了控制系统对电机参数的依赖性。该问 题可以在实际应用中，采用在线辨识参数的方法，减少电机参数变化对控制系统 性能的影响。 9 北京交通大学硕士学位论文 3 直接解耦控制 针对交流电机提出了两种直接解耦控制方法( d d c ，d i r e c td e c o u p l ec o n t r 0 1 ) ， 一种是预测直接解耦控制( p d d cp r e d i c t i n g d i r e c td e c o u p l ec o n t r 0 1 ) ，另一种是使 用p i 调节器的直接解耦控锖o ( p i d d c ) 。和p d d c 相比，p i d d c 具有更好的动态 性能、更强的参数鲁棒性能和更小的计算量。试验表明，p i d d c 控制方法具有很 好的静、动态特性，能够在很大程度上消除转矩脉动，使系统电机即使在极低速 条件下( 5 0 r l m i n ) ，转矩脉动也非常小。其主要存在的问题是，由于在p i - d d c 控 制算法中，需要同时估计定子磁链和转子磁链，因而p i d d c 算法的计算量仍相对 较大。 1 4 本文主要内容 本文以“十一五 国家科技支撑计划项目“1 5 m w 以上直驱式风电机组控制 系统及模块化多重并联变流器的研制”为研究背景，重点研究了交流同步发电机 的控制理论和控制策略，主要进行了以下几个方面的研究工作： 第一章引言，结合本文的研究背景，介绍了交流同步电机分类及其在风力发 电中系统中的应用，并介绍了交流同步电机的主要控制方法矢量控制及直接转矩 控制。 第二章描述了交流同步电机的数学模型以及电机侧变流器的数学模型，介绍 了同步电机矢量控制的几种方法，给出了直轴电流为零的同步发电机矢量控制的 框图，并详细阐述了矢量控制技术的原理。 第三章对交流同步电机无位置传感器矢量控制技术进行了详细介绍，分析了 无位置传感器控制的实现难点及对策，并对于本文使用的利用定子端电气量计算 转子位置的方法进行了详细的分析。 第四章用m a t l a b 仿真软件对交流同步电机控制系统进行了仿真，对带位置传 感器的电机系统的电动和发电模式进行了仿真验证，并对发电模式下的无位置传 感器矢量控制做了具体的分析说明。 第五章在前面的理论分析和仿真建模的基础上，搭建了交流同步电机矢量控 制系统的主电路和控制电路，并对基于d s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的同步电机无位置传感 器矢量控制系统进行了软件的设计、编程和调试，对实验结果进行了分析。 第六章对本文的工作进行了总结，同时指出文中的不足，并对后续的需要进 一步完善的工作进行了简要介绍。 1 0 交流同步电机及其控制技术 2 交流同步电机及其控制技术 2 1 交流同步电机数学模型【3 】 交流同步电机可分为永磁同步电机和电励磁同步电机，而永磁同步电机与电 励磁同步电机有着相似的内部关系，故可以用双反馈原理来进行分析。需要指出 的是，由于永磁同步电机转子直轴磁路磁体的磁导率很小，电机直轴电枢反应电 感一般小于交轴电枢反应电感。下面以永磁同步电机为例，介绍交流同步电机的 数学模型，其两相同步旋转坐标系下的模型如图2 1 所示。 图2 1 由旋转坐标 f i g u r e2 - 1d qr o t a t i n gf r a m e 1 电压方程 永磁同步电机最常用的方法d q 轴数学模型。它不仅可以分析交流同步电机 的稳态运动性能，也可以分析电机的瞬态性能。 为了建立永磁同步电机的数学模型，首先假设： a ) 忽略电机铁芯的永磁饱和； b ) 不计电机的涡流和磁滞损耗； c ) 电机的电流为对称的三相正弦电流。由此可以得到如下的电压、磁链、电 磁转矩和机械运动方程。 取永磁体基波励磁磁场轴线( 磁极轴线) 为d 轴( 直轴) ，顺着转子旋转方向 超前d 轴9 0 。电角度为g 轴( 交轴) ，由轴坐标系以电角速度国。随同转子一道旋转， 在转子参考坐标下的电压方程为 “d = 誓一蠢吐一r 式( 2 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 驴鲁+ 鸺一r s i q o _ 警一w z d o - 等础： 叮 磁链方程为： 9 d = 一l d i d l d i 2 d + l 喇i f 9 q = 一l q i q l l l q t 2 q 9 2 d = 一l 2 d l 2 d l m d i d 七l d i f 9 2 口= 一l 2 q i 2 4 一l 伽i n 可将永磁体等效为一个励磁线圈， 的基波励磁磁场，则有： 9 f = l 1 d i f 式( 2 2 ) 式( 2 3 ) 式( 2 - 4 ) 式( 2 5 ) 式( 2 6 ) 式( 2 7 ) 式( 2 8 ) 等效励磁电流为i f ，能产生与永磁体相同 式( 2 9 ) 以上各式中，下标为2 d ，2 9 的量等效为电励磁电机中阻尼绕组直交轴的各个 对应分量，另： 、u 口一- d 、g 轴定子电压； 、i q d 、q 轴定子电流； 厶、厶d 、q 轴定子线圈自感； k 、三御d 、q 轴定子线圈励磁电感； 欠。定子绕组每相电阻； 吐转子旋转的电角速度； 9 f - - 转子励磁磁链。 结合上面各方程，得出同步电机电压方程 蚴2 p 纷一厶p i d + o o e l q 一足屯 式( 2 1 0 ) “g2 吐纷一l q p i q 一( 0 e l d i d r , i qj 。一一。 其中，p 微分算子。 2 转矩方程 电磁转矩可根据下式求得 1 2 交流同步电机及其控制技术 1 乏= 詈以( 一缈耐i ，) = 昙见( 一厶一( 纷一厶) 乞) = 寻见【( 厶一厶坞一野】 式( 2 1 1 ) 在转子参考坐标中，若取d 轴的反方向为虚轴，取g 轴为实轴则在这个复平面 内，可以将定子电流空问矢量表示为 - - i q 一鸬 式( 2 - 1 2 ) 与d 轴问角度为0 ，于是可有 i d = i l c o s o = s i n o 式( 2 1 3 ) 式( 2 1 4 ) 将式( 2 - 1 3 ) 和式( 2 - 1 4 ) 代入式( 2 1 1 ) ，得 = j 3 以l i l ( 厶一厶) es i l l 2 秒一矿f i , s i n 明 式( 2 - 1 5 ) 由上式可以看出，永磁同步电机输出转矩中含有两个分量，第一项是定子电 流与永磁体励磁磁场相互作用产生的电磁转矩，称为励磁转矩。第二项是由转子 不对称所造成的磁阻转矩，口角称为转矩角。不论如何可以看出，电机的电磁转矩 取决于电机的正交定、转子电流。即可以通过对电机的正交电流的控制来实现对 电机的控制，此即为矢量控制方法的实质。 2 2 电机侧变流器数学模型 本文以三相电压型变流器拓扑作为电机侧变流器研究对象，其主电路结构图 如图2 2 所示。在此系统中，风轮机拖动同步电机转动，产生以同步速度旋转的磁 场，通过电磁感应，由定子侧输出三相交流电压为后级供电。 1 3 北京交通大学硕士学位论文 图2 2 交流同步发电机系统主电路结构图 f i g u r e2 - 2a cs y n c h r o n o u sg e n e r a t o rs y s t e mm a i nc i r c u i ts t r u c t u r e 交流同步电机若为隐极，则可用等效电路代替，如图2 - 3 所示，e a e 。e c 为电机 反电势，乞为定子电流，虬6 为电机端电压，r 表示定子电阻，厶为相电感， 为直流侧电压，定子电流以发电方向为正。 ， e r 一一一、 皿蕃砬 s g 。 _ 一一 冲见申见 瓢三 k i + 詈c 1 图2 3 同步电机和变流器的等效电路图 f i g u r e2 - 3s y n c h r o n o 璐g e n e r a t o ra n dc o n v e r t e re q u i v a l e n tc i r c u i t s a s 6 s 。是三相桥臂的开关函数。设s ，表示x 相桥臂的开关状态，s ，= 1 表示工相 桥臂上管导通，s ，= 0 表示工相桥臂下管导通，工= 口，b ，c ；忽略电感饱和现象，并 认为开关管为理想开关，则可以利用基尔霍夫电压、电流定律，得到系统在三相 静止坐标系的方程如下： t 鲁= 巳一r 叫。 丘鲁= 砌，叫站 丘警= 巳一r 叫。 c 等= t 旷么 以 ，象j 一。 一 1 4 式( 2 1 6 ) 墨de溅 交流同步电机及其控制技术 e e x = = o j f z a ，6 ，cj 嗍。6 霹 式( 2 1 8 ) 利用二值开关函数s j ，可以将”荔，x - a , b ，c 展开