（电机与电器专业论文）定子内永磁风力发电机的控制技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l d se c o n o m y , t h ed e m a n df o re n e r g ya n dr e s o u r c e si sg r o w i n g c o n t i n u o u s l y c o n v e n t i o n a le n e r g ys o u r c e ss u c ha sc o a la n dp e t r o l e u ma r eu n r e n e w a b l e ，a n dt h eu s eo f f o s s i lf u e lc a u s e ss e v e r ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h e r e f o r et h eg o v e r n m e n t sa l lo v e rt h ew o r l dp a ym o r e a t t e n t i o nt ot h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no ft h er e n e w a b l ee n e r g yu n d e rt h ed u a lp r e s s u r eo fr e s o u r c e a n de n v i r o n m e n t w i n de n e r g yi sag r e e n , r e n e w a b l ee n e r g y , a n da tp r e s e n tt h ew i n dp o w e rg e n e r a t i o nh a s b e e nt h ef o c u so ft h ew o r l da n di sd e v e l o p e dr a p i d l y t h ep e r m a n e n t - m a g n e tg e n e r a t o rb a s e dv a r i a b l e s p e e dw i n dt u r b i n e sh a v el o t so fa d v a n t a g e s ，s u c ha sm o r ep o w e rc a p t u r e ，h i g he f f i c i e n c y , h i g hp o w e r d e n s i t ya n ds m a l li m p a c ts t r e s s s t a t o ri n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e t ( s i p m ) m a c h i n ei san o v e lp e r m a n e n t m a g n e tm a c h i n et h a ti sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lr o t o r - m o u n t e dp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e s i th a s a d v a n t a g e ss u c ha sh i 曲p o w e rd e n s i t y , h i g he f f i c i e n c ya n dh i g hr e l i a b i l i t y c o m p a r e d 诵md o u b l es a l i e n t p e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n ea n df l u xs w i t c h i n gp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n e ，t h es d mm a c h i n eh a sl o w e r c o g g i n gt o r q u e t h e nt h es i p mm a c h i n ei sm o r es u i t a b l ef o rt h ea p p l i c a t i o no fw i n dp o w e rg e n e r a t i o n a s t a t o ri n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e tw i n dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw i t hs i p mg e n e r a t o ri sb u i l ti nt h i st h e s i s a n dt h ec o n t r o lt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d f i r s t l y , t h es t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t a i l ec h a r a c t e r i s t i c so fa1 2 l o - p o l et h r e ep h a s es i p m m a c h i n ea r ei n t r o d u c e d t h e nm a t h e m a t i cm o d e lo ft h ep r o p o s e dm a c h i n ei sb u i l tb o t hu n d e rs t a t o ra n d r o t o rc o o r d i n a t es y s t e m s b e c a u s et h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dm a t h e m a t i cm o d e lo ft h es i p mm a c h i n ea r e v e r ys i m i l a rw i mt h es i n e - w a v ep e r m a n e n tm a g n e ts y n c h r o n o u sm a c h i n e ( p m s m ) w h i c hh a sr o t o r m o u n t e dp e r m a n e n tm a g n e t ，t h ev e c t o rc o n t r o lm e t h o dw h i c hh a sb e e na p p l i e di np m s mi st r a n s p l a n t e d i n t ot h es i p mm a c h i n ei nt h i st h e s i s t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v es t u d y , t h eb a c k - t o - b a c kp w mc o n v e r t e ri sa d o p t e da st h ei n t e r f a c eo ft h e c o n n e c t i o nw i t ht h ep o w e r 酣d t h ev e c t o rc o n t r o lo nt h eg e n e r a t o rs i d ep w mc o n v e r t e ri sp r o p o s e df o r t h ep u r p o s eo fr e a l i z i n gt h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) c o n t r 0 1 u n d e rm a t l a b s i m u l i n k s u r r o u d i n g t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l t 皿es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ev a l i d a t i o no ft h ef e a s i b i l i t yo ft h e c o n t r o ls t r a t e g y b a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c h ，t h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ew i n dp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e mi sc a r r i e do u t ，i n c l u d i n gc u r r e n t ，v o l t a g e ，s p e e da n dr o t o rp o s i t i o nd e t e c t i o nc i r c u i t t h e h a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h et m s 3 2 0 f 2 812d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) a n dp e r i p h e r a lc i r c u i t t h ep r o p o s e dv e c t o rc o n t r o ls t r a t e g yi sr e a l i z e dt h r o u g hs o f t w a r ep r o g r a m m i n go n t h ed s ea f t e rt h a tas t a t o ri n t e r i o rp e r m a n e n tm a g n e tw i n dp o w e rg e n e r a t i o ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s c o n s t r u c t e d ，n l et e s t su n d e rd i f f e r e n tw i n dm o d e l ，s u c ha sc o n s t a n tw i n ds p e e d ，s t e pw i n ds p e e da n d s t o c h a s t i cw i n ds p e e d ，a r ec a r r i e do u to nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sn o to n l ys h o w t h ef e a s i b l i t ya n de f f e c t i v e n e s sb u ta l s ov a l i d a t eg o o dp e r f o r m a n c ea n dr a p i dr e s p o n s eo ft h ep r o p o s e d c o n t r o ls t r a t e g y k e y w o r d ：w i n dp o w e rg e n e r a t i o n ；s i p mg e n e r a t o r ；b a c k - t o - b a c kp w mc o n v e r t e r ；m p p t ；d s p i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：壑【叁垒 e t 期：五塑。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图j 饽馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 东南大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高，人类对能源的需求越来越大。作为传统 能源的化石燃料是有限的、不可再生的，同时使用化石燃料还会带来一系列的环境问题。因此，发 展可再生的清洁能源是必然的选择。风能是一种取之不尽、用之不竭的可再生的绿色能源，全球风 能约为2 7 4 x1 0 9 m w ，其中可利用的风能为2 7 4 x1 07 m w ，比地球可开发利用的水能总量还要大1 0 倍【l 】，总量十分可观。另外，在将风能转换为电能的过程中，基本不消耗化石能源，不产生任何有 害气体和废料，不污染环境，具有就地取材、不需要运输等特点。因此，大力开发利用包括风能在 内的可再生能源，改变现有世界能源消费结构，已经成为一种必然趋势。目前，世界各国均推出了 开发可再生能源、实现能源可持续发展战略的重大举措。 1 1 风电发展现状与风电技术 1 1 1 国g 马j b 风电发展现状 1 8 9 1 年，丹麦建成了世界第一座风力发电站。自2 0 世纪9 0 年代起，风力发电受到了国际社会 的普遍重视。2 0 0 1 年以来，全球每年风电装机容量增长速度为2 0 - - 。3 0 。2 0 0 7 年，全球风电装机 容量达到9 4 g w ，且主要为陆上风电【2 j 。全球风能协会发布最新一期全球风电的增跃数据显示，2 0 0 8 年全球范围内新增风电装机容量2 7 0 5 万千瓦。这使得全球风电装机容量达到1 2 0 亿千瓦，较2 0 0 7 年增长2 8 8 。风能已经成为全球能源市场重要成员，2 0 0 8 年全球风力发电机组市场规模达到4 7 5 亿美元i 川。截至2 0 0 8 年，全球风电装机容量的增长如图1 1 所示。 每 盔 风 电 装 机 容 量 g w 风 电 装 机 容 量 g w 图1 1 全球风电装机容量 圈2 0 0 0 皿2 0 0 3 团2 0 0 7 慝囫堋搠 图1 2 全球风电地区分布情况 图1 2 是全球风力发电地区分布图。可以看出，欧洲是全球风电装机容量最多的地区，北美和 3 m为如加m o 加 m 0 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 亚洲的风电发展速度也比较快。 我国的风电发展主要集中在2 0 0 3 年以后，尤其是在风电特许权的带动下，2 0 0 6 年我国除台湾 外增加风电机组1 4 5 4 台，增加装机1 3 3 7 万k w ，比我国过去2 0 年发展累积的总量还多，仅次于美 国、德国、西班牙和印度 4 1 。2 0 0 8 年中国新增风电装机容量6 3 0 万千瓦，新增量位列全球第二，仅 次于美国，截至2 0 0 8 年底总装机容量达到1 2 2 1 万千瓦，同比增长1 0 6 ，总装机容量超过了印度， 位列全球第四1 3 】。图1 3 反映了2 0 0 0 年以来我国风电装机容量的增长情况。 2 0 0 02 0 0 l2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 巨z 勿装机容量+ 装机增长率 图1 - 3 我国风电装机容量 1 1 2 风力发电技术 根据风力发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频( c o n s t a n ts p e e dc o n s t a n t f r e q u e n c y ，c s c f ) 风力发电技术和变速恒频( v a r i a b l es p e e dc o n s t a n tf r e q u e n e y ，v s c f ) 风力发电 技术。 1 恒速恒频风力发电技术 恒速恒频风力发电系统是指在风力发电过程中保持发电机的转速不变从而得到和电网频率一致 的恒频电能。恒速恒频发电系统控制简单，可靠性好，但也有很多缺点【5 】： 风力机转速不能随风速而变，从而降低了对风能的利用率。 当风速突变时，巨大的风能变化将通过风力机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件，在这些部 件上产生很大的机械应力。 并网时可能产生较大的电流冲击。 目前的恒速机组，大部分使用异步发电机，在发出有功功率的同时，还需要消耗无功功率。而 现代变速风电机组却能十分精确地控制功率因数，甚至向电网输送无功功率，改善系统的功率因数。 由于以上原因，变速风电机组越米越受到风电界的重视，其逐步取代恒速风电机组而成为风力发电 的主力机型。 2 变速恒频风力发电技术 变速恒频风力发电系统是指在风力发电过程中发电机的转速随风速变化而变化，并通过各种控 制方式来得到和电网频率一致的恒频电能。变速恒频系统将电力电子技术、矢量变换技术和微机技 术以及微机信息处理技术引入发电机控制之中，得到了一种全新的、高质量的电能获取方式。风力 机采取变速运行有许多优点巾j ： 风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效 率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高2 0 以上。变速运行的风力机不但 年运行小时数较高，并且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。 4 他 眈 。 舢 舢 踟 舢 舢 姗 。 东南大学硕上学位论文 第l 章绪论 变刚性连接为柔性连接。当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵 风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减小机械应力和转矩脉动，延长风力机寿命。当风速下降时， 高速运转的风轮的能量便释放出来变为电能送给电网。 通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出的有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大 风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采 用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连节，并网相对容易且并 网运行后一般不会发生失步。 另外，变速运行还具有减少运行噪声等其它一些优点。总之，由于这些优点，风电机组正朝着 变速恒频的方向不断发展。 变速恒频风力发电系统有多种实现形式，有的是通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒 频，有的则通过改造发电机本身结构而实现变速恒频。下面简单介绍儿种典型的变速恒频风力发电 系统0 1 。 ( 1 ) 鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统 鼠笼式异步发电机变速恒频风力发电系统结构如图1 _ 4 所示。鼠笼式异步发电机具有结构简单、 成本低、易于维护且适用于恶劣的工作环境等优点，是传统的丹麦风力发电系统广泛采用的发电机 型。其变速恒频控制是在电机的定子电路中实现的，在并网时没有电流冲击，可调：i i 了无功功率，但 由于变频器在定子侧，变频器的容量需要与发电机的容量相同，使得整个系统的成本、体积和重量 显著增加，尤其对于大容量的风力发电系统。 图l _ 4 鼠笼式异步发电机风力发电系统 电网 ( 2 ) 双馈感应发电机变速恒频风力发电系统 双馈感应电机变速恒频风力发电系统结构如图1 5 所示，电机的定子并到电网上，转子通过功 率变换器与电网相连。该系统可以通过调节转子励磁电流的大小来改善电网功率因数，变频器容量 小，变速运行范围宽。正是由于这些优点，使得该系统被大量公司所采用，例如v e s t a s 、g a m e s a 、 g e 、n o r d e x 等。该系统的缺点是控制系统比较复杂，发电机有电刷和滑环等机械部件，降低了系统 的可靠性。 图1 5 双馈感应风力发电系统 电网 ( 3 ) 无刷双馈型变速恒频风力发电系统 无刷双馈变速恒频风力发电系统结构如图1 - 6 所示。该系统采用无刷双馈型发电机，其定子有 5 东南大学硕士学位论文第1 章绪论 两套极数不同的绕组，功率绕组直接与电网连接，控制绕组通过双向变频器接电网。其功率绕组和 控制绕组的作用分别相当于双馈感应电机的定子绕组和转子绕组，故其变速恒频控制策略可与双馈 感应电机变速恒频风力发电系统方案相同，同样有着调速范围宽、功率因数可灵活控制、变频器容 量小的优点，而且发电机没有滑环和电刷，提高了运行的可靠性，但是发电机的结构工艺较为复杂， 电机效率较低，只有7 0 左右，因此发展潜力不大。 图1 - 6 无刷双馈风力发电系统 电网 ( 4 ) 永磁发电机变速恒频风力发电系统 永磁发电机变速恒频风力发电系统结构如图1 7 所示，它采用的电机是永磁发电机，无需外部 提供励磁电源，提高了效率。其变速恒频控制是在定子电路实现的，变频器的容量与系统的额定容 量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接驱动，省去了齿轮箱，这样可大大减小系统 运行噪声，提高效率和可靠性，降低维护成本。所以尽管直接耦合会使永磁发电机的转速很低，导 致发电机体积很大，成本较高，但其运行成本却得到了降低。采用直接驱动永磁发电机具有传动系 统简单、效率高以及控制鲁棒性好等优点，因此越米越具有吸引力。目前已有多家公司可以提供商 业化的多极永磁风力发电机系统，如e n e r c o n 、w i n w i n d 等。 图1 7 永磁发电机风力发电系统 电网 和电励磁电机相比，永磁电机无需额外的励磁功率，具有功率密度和效率高、转矩密度高、动 态特性好等优点16 1 。近年米永磁材料的性能在不断提高而价格却在下降，功率器件的价格也在不 断下降。同时直接驱动风力机省却了工作要求高、难以制造的增速齿轮箱，具有系统效率高、可靠 性高等优点。这些因素促使直驱式永磁风力发电成为风电的一个重要发展方向，尤其是针对海上风 电场的应用。目前我国大型永磁直驱风力发电系统的运行实例还相当少，其中不少仍处于测试过程 中，因此还有很多问题值得研究。本文正是以永磁风力发电系统作为对象展开研究的。 1 2 定子永磁电机研究现状 目前被广泛研究的永磁风力发电机一般都为转子永磁结构，但这种结构具有一定的局限性：一 方面永磁体贴装于转子表面或内嵌于转子中，这破坏了转子的整体性结构。为防止电机高速运行时 的离心力作用，在永磁体的外面还另需非导磁套环( 一般采用不锈钢材料) 或者玻璃丝带缠绕固定， 既增加了成本，义降低了可靠性；另一方面位于转子侧的永磁体不易散热，随着温度的上升永磁体 的磁性能和抗永久退磁能力均会下降。针对转子永磁电机的这些缺点，很自然地就会联想到定子永 6 东南大学硕士学位论文第l 章绪论 磁结构。定子永磁电机不仅将永磁体，同时还将电枢绕组置于定子，转子无绕组、无滑环、无电刷。 相对于转子永磁电机，定子永磁电机特别适合于需要大范围调速的应用场合。而对于风力发电所需 的变速直接驱动发电机，已有研究表明定子永磁电机也能很好的胜任并且具有可靠性高、成本较低 的独特优势。 1 2 1 定子永磁电机的发展历程 从上世纪9 0 年代开始先后出现了以下几种新型结构的定子永磁电机：双凸极永磁( d o u b l y s a l i e n tp e r m a n e n tm a g n e t ，d s p m ) 电机、磁通反向永磁( f l u xr e v e r s a lp e r m a n e n tm a g n e t ，f r p m ) 电机、磁通切换永磁( f l u xs w i t c h i n gp e r m a n e n tm a g n e t ，f s p m ) 电机以及定子内永磁( s t a t o ri n t e r i o r p e r m a n e n tm a g n e t ，s i p m ) 电机。 1 d s p m 电机 d s p m 电机实际上属于“开关磁阻电机+ 永磁体”的结构，永磁体内置于定子轭部，从电磁特 性和控制策略角度而言，与开关磁阻电机【1 7 】有很多相似之处。美国t a l i p o 等人自1 9 9 2 年提出 d s p m 电机以来，首先对d s p m 电机进行了研究。国内以东南大学程明教授为首的研究小组率先对 d s p m 电机展开了研究，文献 1 8 1 介绍了8 6 极d s p m 电机的结构，并证明8 6 电机比6 4 极电机的 功率密度要高出9 。文献 1 9 2 0 1 介绍了1 2 8 极d s p m 电机的结构，如图1 8 所示，为抑制转矩脉 动，计算并设计了斜槽转子，获得很好的效果。除东南大学外，国内华中科技大学、南京航空航天 大学、浙江大学以及西北工业大学等高校的研究人员也开展了对d s p m 电机的研究。 然而d s p m 电机为单极性磁链定子永磁电机，其功率密度低于后面将讨论的几种双极性磁链定 子永磁电机。因此若将其应用于风力发电，还有必要进一步提高电机的功率密度。 图1 - 81 2 8 极d s p m 电机 2 f r p m 电机 永磁体 转子 绕组 定子 永磁体 绕组 图1 - 9f r p m 电机 子 f r p m 电机睇u 将永磁体直接安装在定子齿表面，见图1 - 9 ，可以将其看成是定子永磁型的表面 贴装式电机。它的结构特点是在每个定子齿与气隙接触的表面安装两块磁化方向相反的弧形永磁体。 当转子旋转到不同的永磁体下面与定子齿对齐时，根据磁阻最小原理，极性相反的永磁磁通就会穿 过定子侧的绕组，从而在电枢绕组中匝链极性和数值都随转子位置而改变的交变永磁磁链，感应出 反电动势。因此，该电机的磁链特性为双极性，这与d s p m 电机是不同的，而和下面将讨论的f s p m 电机是一致的。但f r p m 电机在结构上有着明显的缺点，即永磁体的安置无形中增加了气隙的长度， 使得电机的尺寸增加，且空载气隙磁密减小，影响电机出力。更严重的是，磁路分析表明电枢绕组 7 东南大学硕士学位论文第l 章绪论 产生的电枢反应磁通会直接穿过永磁体进入转子齿，即电枢磁通和永磁磁通是串联的，存在着永磁 体发生不可逆退磁的危险。这些原因导致了该种电机目前研究的较少。 3 f s p m 电柑l f s p m 电机 2 2 - 2 5 l 具备d s p m 电机和f r p m 电机转子结构简单、适合高速运行、冷却方便等优点， 且其特殊的结构使得该电机的每相空载永磁磁链为双极性，并接近正弦分布，导致其空载反电动势 在一个转子极距内也近似为正弦分布，因此特别适合于无刷交流调速运行。该电机气隙磁密高，在 定子外径一样的条件下，转矩和功率都可以高于前两种定子永磁型电机，功率密度大，适合用于严 格限制电机尺寸同时又需要较高出力的场合。图1 1 0 为1 2 1 0 极f s p m 电机的结构图，可见其永磁 体内置于定子齿问。 f s p m 电机本质上可看作为一种具有双向磁链变化的整距绕组双凸极永磁电机，由于f s p m 电 机具有很高的转矩输出能力，使该电机在风力发电中有一定的应用潜力。然而，f s p m 电机的气隙 磁密极高，一般情况下其气隙的最高磁密可以达到2 t e s l a 以上，由此产生了极大的电机定位力矩。 由于现代大型风力发电机一般需要在低风速( 3 m s 左右) 下实现自起动，如果定位力矩太大，将可 能使风力机的起动转矩不足以起动风力发电机。另外，过大的定位力矩会使风力发电机产生震动并 引起早期疲劳损坏，在巨型风力发电机上这种情况将变得更加严重。 图1 1 01 2 1 0 极f s p m 电机 4 s i p m 电机 永磁体 转子 相绕组 定子 转 永 图1 - 1 11 2 1 0 极s i p m 电机 文献 2 6 提出的一种新型的定子永磁电机s i p m 电机是针对现有f s p m 电机存在的诸多缺点 而提出的一种优化和改进设计。s i p m 电机的新颖性在于该电机采用了带齿靴的定子裂极结构，并且 永磁体被内置于定子极中间，如图1 1 1 所示。由于采用了这种新型结构，s i p m 电机与f s p m 电机 相比，气隙磁通密度小得多，永磁体的厚度小，这不仅节省了永磁材料，同时改善了转矩特性，能 够提供更高的功率密度和更低的定位力矩峰值。正是由于这些改进使得s i p m 电机比前几种定子永 磁电机更加适合应用于风力发电。在江苏省高技术研究项目的资助下，本论文将研究该新型定子内 永磁风力发电机的控制理论和应用，实现最大风能跟踪，获得良好的动静态控制性能。 1 2 2 永磁电机的矢量控制技术概述 1 9 7 1 年，由德国b a l s c h k e 等人首先提出了交流电动机的矢量变换控制( t r a n s v e c t o rc o n t r 0 1 ) 理论， 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 8 东南大学硕士学位论文第l 章绪论 产生转矩的转矩电流分量加并使两分量相互垂直且彼此独立，可以分别控制。这样，交流电机的转 矩控制，从原理和特性上就与直流电动机相似了。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。 矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终是对定子电流的控制。由于永磁电机定子侧的各物 理量( 电压、电流、电动势、磁动势) 都是交流量，其矢量在空间上以同步速旋转，调节、控制和 计算均不方便。因此，需要进行坐标变换，使各物理量从静止坐标系转换到同步旋转坐标系。在同 步旋转坐标系上进行观察，永磁电机的各空间矢量都变成了静止矢量，各物理量就变成了直流晕。 控制这些直流量的给定值，就能控制电机的电磁转矩。但是这些直流量在物理上是不存在的，因此 还要进行坐标逆变换，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量转变为实际电枢绕组中 的交流给定量。 矢量控制的电流控制方法【2 8 j 有：白= 0 控制；最大转矩电流比控制；c o s 矽= 1 控制；恒磁链控制。 幻= o 控制和最大转矩电流比控制是最简单的电流控制方法，该方法无去磁效应，输出转矩与定子电 流矢量成正比。这种方法的缺点是随着输出转矩的增大，电机端电压比较大而功率冈数却急剧下降， 从而对变换器容量要求增高。e o s 庐= l 控制电机的功率因数为1 ，变换器的容量得到了充分的利用， 但该方法能够输出的最大转矩很小。而恒磁链控制在功率因数较犬的条件下，一定程度上提高了电 机的最大转矩输出，但仍旧存在最大输出转矩的限制。 由于风力发电对系统的过载能力及转矩响应有较高的要求，同时风力发电机一般处于低速运行 状态，因此适合使用豇= 0 控制。控制d = o 意味着控制内功率因数为c o s ( p = l ，实现单位内功率冈数 运行( 内功率因数c o s 幽电机的功率因数c o s - 是两个不同的概念，劝电流矢量与空载电势的夹角， 即内功率因数角；矽为电压矢量与电流矢量的夹角，即电机的功率因数角，亦称外功率冈数角。如无 特殊说明，下文中出现的功率因数均指前者) 。 传统上d s p m 电机采用了和开关磁阻电机类似的低速区电流斩波和高速区角度位置控制方法， 近年来的研究表明，反电势近似为正弦的定子永磁电机同样可应用比较成熟的矢量控制技术，文献 2 7 将矢量控制技术运用于f s p m 电机中取得了很好的效果。同样，s i p m 电机的反电势中谐波成份 较少，因此采用矢量控制方法来控制s i p m 风力发电机的运行。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于江苏省高技术研究( b g 2 0 0 5 0 3 5 ) 资助项目“基于双凸极永磁风力发电机及 其分布式发电系统研究”。本文主要研究内容如下： 第一，介绍了目前国内外风电发展现状以及风力发电技术，综述了定子永磁电机的发展历程以 及永磁风力发电机的矢量控制技术。 第二，介绍了s p m 电机的基本工作原理，分析了三相1 2 1 0 极s i p m 电机的静态特性，分别建 立三相s i p m 电机在定子坐标系以及转子坐标系下的数学模型。 第三，提出定子内永磁风力发电机的控制策略，设计控制算法，实现最大风能跟踪( m a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 控制。基于m a t l a b s i m u l i n k 建立风力发电系统模型，进行仿真与 分析，仿真验证了控制策略的可行性，并为之后的实验提供参考。 第四，构建风力发电系统的实验平台，设计和制作s i p m 电机的控制系统的外围硬件电路，主 要包括电流、电压检测电路，信号调理电路，p l l 倍频电路等。 第五，实验研究及分析，实现了定子内永磁风力发电机的m p p t 控制，得到实验结果，并将实 验结果结合理论进行分析，验证控制策略的可行性。 9 东南大学硕士学位论文 第2 章s i p m 电机结构、原理及数学模型 第2 章s i p m 电机结构、原理及数学模型 研究电机的控制技术，建立电机的较为准确的数学模型是十分重要的基础工作。本章将首先简 要介绍s i p m 电机的结构，然后分析其基本工作原理，在此基础之上建立其数学模型，为后面进行 控制策略的研究奠定基础。 2 1s i p m 电机的基本结构 s i p m 电机【2 5 】【2 9 。1 1 的结构如图2 1 所示。转子为简单的凸极结构，转子上既无绕组也无永磁体， 结构非常简单。定子部分相对复杂，采用裂极设计，由c 形迭片段组合而成。永磁体插在定子极中 间，定子槽与传统的感应电机类似。电枢绕组绕在每个定子裂极上。同时定子极设计有极靴，有效 地增大了定子迭片段齿的宽度，而且永磁体的厚度不必和定子迭片段齿宽度相同。 s i p m 电机的设计可以在较宽范围内的相数m 、定子极数既、转子极数西的组合中选取。对单 相电机来说，定子极数总是和转子极数相等，针对多相电机，相数m 、定子极数胁、转子极数办可 由下面的一般关系式来给出： ip j = 4 m k 2 m lm 2( 2 1 ) p2 1 万p ， 式中：k 为正整数。当取七= l ，m = 3 ，就可以得到如图2 1 所示的三相1 2 1 0 极s i p m 电机。 转 ， 水 图2 11 2 1 0 极s i p m 电机结构图 2 2s i p m 电机的基本工作原理 由于s i p m 电机在结构上有别于转子永磁型电机，而其电磁静态特性及工作原理又有别于开关 磁阻电机和d s p m 电机，因此本节将从该电机运行原理以及静态特性的角度展开论述。 2 2 1 磁通切换原理 文献 2 1 2 4 提出的f s p m 电机，是指绕组匝链的磁通( 磁链) 会根据转子的不同位置改变方向 和大小，即改变正负极性和数值大小。在一个转子极距范围内，对应着电机的一个电周期，磁通的 l o 东南大学硕士学位论文第2 章s l p m 电机结构、原理及数学模型 数量会从最大变到最小，方向从进入绕组到穿出绕组( 或从穿出绕组到进入绕组) 。依据“磁阻最小 原理”，磁通永远都是通过磁阻最小的路径闭合。在图2 2 ( a ) 中，永磁体产生的磁通会沿着图示 箭头的路径穿出转子极而进入与之相对齐的定子齿。对于开路的定子绕组来说，其两端会感应出一 定的电动势。而当转子运动到图2 2 ( b ) 的位置时，永磁磁通在数量上保持不变但穿行的路径对绕 组来说恰好反向，为穿出定子齿而进入转子极。显然，此时绕组中感应的电动势与上一种情况相比， 数值相同但极性相反。正是基于这个原理，当转子在上述两个位置之间连续运动时，绕组里匝链的 永磁磁通就会不断地在正负最大值之间呈周期性变化，与之相对应，根据法拉第定律，绕组两端就 会产生幅值和相位交变的电动势，这个过程就被称之为“磁通切换”。 定子 转予 - 1 卜 ( a ) 永磁体 定子 绕组 转子 图2 2 磁通切换原理 ( b ) 01 22 43 6 转子角度( 。) ( a ) 电动势波形 永磁体 绕组 _ 一一 _一_ _ _ 一一ii 东南大学硕士学位论文第2 章s i p m 电机结构、原理及数学模型 分别进行了谐波分析。可以看出，引入齿靴后电动势的谐波含量确实有所减少。 2 2 2s i p m 电机的静态特性 1 永磁磁链与电动势 图2 4 给出了有限元计算得到的一台1 2 1 0 极s i p m 电机样机的三相永磁磁链曲线，可见其相 位之间依次严格偏移机械角1 2 0 ( 电角度1 2 0 0 ，转子极数p r = 1 0 ) ，具有良好的对称性。其中转子初 始角妫零的位置所对应的a 相绕组的磁链为正向最大。因此，三相s i p m 电机的永磁磁链、6 、 。满足如下关系： i 沙瑚= c o s ( p r 0 ) y 。6 = y 。c o s ( p r o 一1 2 0 。) ( 2 2 ) 【= y 。c o s ( p r 0 + 1 2 0 。) 式中：为绕组中匝链的永磁磁链峰值；p r 为转子极数；劝转子位置角( 机械角度) 。 61 21 82 4 转子位置( 机械角) 图2 _ 4 磁链波形 由永磁磁链与空载电动势的关系，可得到三相s i p m 电机在忽略高次谐波分量时的电动势表达 式为： l = 瓯s i n ( p r 0 ) 6 = 乜s i n ( p r o 一1 2 0 。) ( 2 3 ) 【= 乜s i n ( p r 0 + 1 2 0 。) 式中：e m = - p r 彬m m e 为每相绕组电动势峰值( c a = p r 翻r 为电机机械角频率，研为转子转速) 。 图2 5 ( a ) 为一台1 2 1 0 极s i p m 电机在7 5 0 转分时的电动势波形，其中虚线为有限元仿真结 果，实线为样机实测结果。图2 5 ( b ) 为实测电动势波形的谐波成份分析结果，可以看出，电动势 具有较高的正弦度。正是由于s i p m 电机的电动势波形比较接近正弦，忽略高次谐波后，定子内永 磁风力发电机可以采用矢量控制算法来实现风力发电机侧的p w m 变换器有功和无功功率解耦控制， 从而有效实现最大能量跟踪和单位功率冈数运行控制。 1 2 2 s l 5 0 5 l 5 2 仉 仉 仰 也 们 地 星。帮颦餐蕞 东南大学硕上学位论文 第2 章s 口m 电机结构、原理及数学模型 孓 、- ， 寐 硼 岖 ( a ) _ _ 一_一 l _ 一一 h a t m o m c m a g n b d e t 鬈一曲e n d - 眦咖i - m p l 州e ( b ) 图2 5 相电动势波形及谐波分析 2 电感 s i p m 电机绕组通电以后，定子电流产生的磁链可分为两部分，一部分磁链对应的磁通不经过转 子而在定子及气隙中闭合，它所对应的电感系数称为漏感；另一部分磁链对应的磁通经气隙与定子 和转子交链，称为互感磁链。互感磁链是磁链的主要部分。随着电机旋转，绕组的磁导将发生变化， 故互感磁链是转子位置的函数。三相s 口m 电机在忽略高次谐波分量时的自感和互感的表达式如下： i k = l o 一厶c o s ( 2 p r 0 ) k = l o 一厶c o s ( 2 p r 0 + 1 2 0 。) ( 2 4 ) 【k = l o 一厶c o s ( 2 p ，0 1 2 0 。) i 蚝= 蚝= m o 一心c o s ( 2 p , o 一1 2 0 。) = 气= m o m r c o s ( 2 p ，口) ( 2 5 ) i 蚝：m o 。= 一心c o s ( 2 p r 0 + 1 2 0 。) 式中：厶、如、k 分别是三相绕组自感；尥6 、慨、地、蚝、慨、。分别是三相绕组互感； o 为每相绕组自感的平均值，对应于自感波形的直流分量；厶为每相绕组自感的二次谐波幅值，对 应于自感波形的脉动分量幅值；g o 为绕组互感的平均值，对应于互感波形的直流分量；为绕组 互感的二次谐波幅值，对应于自感波形的脉动分量幅值。 忽略电感变化的高次谐波成份，可以将s 口m 电机的相电感进行矢量分解而得到直轴电感和交 轴电感2 7 】： 厶= 厶一m o 一乙 二 气 厶= 厶一m o + 吾厶 ( 2 6 ) 厶2 = o = 厶o = 厶o = 0 显然该直轴电感和交轴电感为恒定不变的值。对于实验所用的电机样机，其大小分别为厶 = 1 3 i 州和岛= 1 1 7 m h 。 3 定位力矩 定位力矩( c o g 西n gt o r q u e ) 是永磁电机中存在的一个常见现象，也是引起转矩脉动的主要因素 之一。图2 - 6 为实验用s i p m 电机样机的定位力矩波形，其中虚功法和m a x w e l l 张量法是通过有限 1 3 蝶誉描秭咣蕊秭雠麟雠 l；。f“：；厶拍” 东南大学硕士学位论文第2 章s i p m 电机结构、原理及数学模型 元计算得到的。可以看出计算结果与实验测量结果十分接近，定位力矩的峰值比较小，大约只有 0 4 n - m ，仅占额定平均转矩的5 不到，这比d s p m 电机的定位力矩要小得多。一般情况下，d s p m 电机的定位力矩占额定平均转矩的1 0 甚至更高口羽。 o 6 0 4 - o 4 - 0 6 01 2 345 6 转子位置角( 。) 图2 - 6 定位力矩 2 3s i p m 电机的数学模型 本节将在上一节的基础上，给出三相s i p m 电机的数学模型。首先从传统意义上的定子坐标系 出发，建立电压方程、磁链方程、转矩方程及运动方程