【《PMSG-PWM整流系统的建模与仿真分析案例》4800字（论文）】

PMSG-PWM整流系统的建模与仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u20575PMSG-PWM整流系统的建模与仿真分析案例 图23所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s13PMSG等效电路FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s13EquivalentcircuitofPMSG然而在永磁同步电机运行时，使用A、B、C三相静止坐标进行分析，那么同步电机转子在电、磁结构方面不对称，因此由于电机参数与转子有关，在静止坐标系下状态方程是非线性时变，不利于动态特性分析。在两相同步旋转的坐标系内，电机的时变微分方程可以变为为常系数方程，让运算和分析的难度大大降低。REF_Ref68714711\h图24为坐标变换的向量示意图，在Clarke变换后可以获得两相静止的坐标系，其中轴与A轴两轴重合在一起，和轴之间呈90°角，然后进行Park变换，从而获得同步旋转坐标系，其中永磁同步发电机转子励磁磁链的方向就是轴的方向，轴超前轴90°。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s14永磁同步发电机坐标变换FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s14coordinatetransformationofPMSG经过坐标变换，在d-q同步旋转坐标系中，可以用以下方程来表示永磁同步发电机的电压： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s14)式中，——定子轴和轴等效的端电压；——定子轴和轴等效的端电流；——轴和轴等效的磁链。磁链方程为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s15)式中，——定子轴和轴等效的电感。以上两式联立得： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s16)根据上式可得等效电路如REF_Ref68715187\h图25所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s15PMSG在旋转坐标系下的等效电路FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s15EquivalentcircuitofPMSGinrotatingcoordinatesystem永磁同步电机电磁转矩方程： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s17)式中，——电磁转矩；——永磁同步电机极对数。三相PWM整流器的数学模型构建永磁同步发电机的数学模型后，可将其等效为三相星形连接的对称电路。下图所示，为永磁同步发电机供电的电压型PWM整流器拓扑。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s16PMSG-PWM整流系统拓扑电路FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s16TopologicalcircuitofPMSG-PWMrectifiersystemPWM整流器由六个全控开关管V1~V6组成，每个开关管上反并联二极管；ea，eb，ec为电源电势，ia，ib，ic为三相电流；直流侧接有滤波电容C和负载RL。建立PWM整流器的数学模型之前，先进行如下假设：(1)电源电势(ea，eb，ec)是三相相差120°的正弦波；(2)Ls为线性电感，饱和状况忽略不计；(3)开关管为理想的开关器件，不考虑死区影响；在电压型的PWM整流器中，其电路为三相桥式，总共包含6个全控开关，两两之间相互并联，这6个开关管共同控制整流器的运行状态。每相桥臂均有两种通断模式，所以，对应的开关状态总共有8种。二值逻辑开关函数表达式如下： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s18)当Sk=1时，代表上方的开关管导通，下方的开关管关断；反之则表示上方关断，下方导通。结合基尔霍夫电压定律，可得A相回路的方程： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s19)式中，——点与点之间的电压；——点与点之间的电压；——分别为A相电阻、电感。当时，A相桥臂上方的开关管呈导通状态，下方的开关管呈关断状态，则有： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s110)当时，A相桥臂上方的开关管呈关断状态，下方的开关管呈导通状态，则有： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s111)可得，代入式得到： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s112)同理可得B、C两相回路的方程： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s113) (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s114)由于三相系统对称，有，。联立上面三式，得： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s115)在运行的时候，电路中任意时刻都会开通3个开关管，可以用以下公式来表示直流侧的电流： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s116)根据基尔霍夫电流定律，对直流侧电容列写回路方程： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s117)联立式REF_Ref68716305\h(212)~式REF_Ref68716311\h(217)，从而在三相静止的坐标系中，得到三相电压型PWM整流器的开关函数模型： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s118)式中，——负载电流，。将式REF_Ref68716495\h(218)通过坐标变换在三相静止坐标系内的PWM整流器开关函数转换为旋转坐标系()的模型： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s119)式中，——电源电势的轴分量；——三相电流的轴分量；——旋转坐标系的开关函数。根据PWM整流器的轴数学模型，可以对REF_Ref68715802\h图26所示电路的控制策略进行设计，产生正弦PWM脉冲电压，使得整流器交流输入端电流正弦化，而整流器的直流侧则输出稳定的直流电压。PMSG-PWM整流系统的控制策略在PMSG-PWM整流系统内，最核心的就是其控制部分，控制性能的好坏对整流系统的性能起决定性作用。在混合动力机车中，由于其工况多，负载需求变化快，多动力源相互配合等特点，关于PMSG-PWM整流系统控制策略，主要有以下几个方面的要求：(1)当永磁同步发电机转速，或者是输出的电压出现突变时，系统能够维持良好、稳定的动态性能，快速作出响应，并且电压和电流的超调较小；(2)保障系统直流侧电压的稳定，尽可能降低电压的纹波；(3)尽量减小开关管的开关损耗，并提高系统效率。本篇文章选择双闭环PI控制方式，且为电压外环+电流内环解耦，该方式控制简单，应用范围广，在工程实际中较为常用，符合混合动力机车的要求。REF_Ref68717114\h图27为PMSG-PWM整流系统的具体框图。系统的外环为电压环，内环为电流环。首先在电压环工作过程中，比较电压反馈值和电压参考值大小，然后利用电压调节器进行调节，从而得到输出值。在电流环中，电压调节器输出的值为电流轴分量的参考值，比较该数值和采样获得的反馈值；电流的轴分量调节过程相同，但要实现单位功率因数控制，的参考值为零。将开展电流前馈解耦控制，得到的参考值。最后经过SPWM调制，从而获得三相整流桥电路6个开关管的信号。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s17PMSG-PWM系统控制框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s17ControlblockdiagramofPMSG-PWMsystem(1)双闭环解耦控制由式REF_Ref68717381\h(219)可知，系统中轴变量出现耦合的情况，需要将式子进行解耦。因此本篇文章采用了电流前馈的解耦方法以及PI调节器调节电流，因此的控制方程为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s120)式中，——电流内环PI调节器中比例、积分的系数；——的给定值。将式REF_Ref68717504\h(220)代入式REF_Ref68717381\h(219)，从而得到前馈解耦后，系统电流平衡方程： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s121)由上式可知，对系统进行解耦控制之后，交直轴的控制相互之间不产生不影响，下REF_Ref68717803\h图28为具体控制框架。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s18电压电流双闭环解耦控制策略框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s18Voltageandcurrentdoubleclosed-loopdecouplingcontrolstrategydiagram(1)电流内环控制系统设计由于电流的分量具有对称性，控制器参数相同，因此控制器设计只需要考虑一个。根据REF_Ref68717803\h图28，得到内环有功分量的控制结构框图如REF_Ref68718966\h图29所示。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s19电流内环结构框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s19Structurediagramofcurrentinnerloop在电流采样的过程中，会出现信号延迟的现象，故需要加入一阶惯性环节： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s122)式中，——电流环的采样周期，即PWM的开关周期。整流桥存在时间滞后的增益性特征，其传递函数表达式为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s123)式中，——整流桥的等效增益。永磁同步发电机和每相为电势、电阻、电感串联而成的星形连接电路等效，因此其等效传递函数为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s124)为了方便分析，的干扰忽略不计。同时将PI调节器的传递函数写成零极点的形式： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s125)式中，。简化之后的电流内环结构框图如下图所示：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s110简化的电流内环结构框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s110Simplifiedcurrentinnerloopstructurediagram电流环按典型Ⅰ型系统设计，用PI调节器当中的零点抵消原传递函数中的极点，即： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s126)电流内环开环传递函数校正之后为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s127)闭环传递函数为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s128)由上式可得： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s129)根据典型Ⅰ型系统参数整定，阻尼比取0.707，则 (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s130)求解得到： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s131)通过计算得到电流调节器中的参数，完成调节器设计。(3)电压外环控制系统设计电压外环主要是为了让直流侧的电压更加稳定，结合PWM整流器的电压电流方程和数学模型，从而推导出整流器直流侧电流的公式： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s132)图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s111电压外环结构框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s111Structurediagramofvoltageouterring与电流内环同理，为电压调节器的比例、积分参数，为电流内环的等效传递函数，为采样小惯性时间常数。不计负载电流的影响，令直流侧电流时变环节所取的最大比例增益值为0.75，并使和电流环当中的等效时间常数进行合并，简化后的电压外环控制结构框图如下：图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s112简化的电压外环控制框图FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s112SimplifiedControlBlockDiagramofVoltageOuterLoop电压外环需要稳定直流侧电压，重点在于其抗干扰能力，因此按照典型Ⅱ型系统进行设计。电压外环的开环传递函数式如下： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s133)得到电压外环的中频宽为。由典型Ⅱ型系统参数整定得： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s134)考虑电压外环的抗干扰性与跟随性，取中频宽。由此可得电压环PI调节器的参数为： (STYLEREF1\s2SEQ(\*ARABIC\s135)经过计算后得到完成对电压外环调节器的设计。PMSG-PWM系统MATLAB/Simulink仿真建模根据上文的分析，在MATLAB/Simulink中，搭建PMSG-PWM系统的仿真模型，如REF_Ref68719806\h图213所示。系统主电路由永磁同步发电机、PWM整流器以及直流侧滤波电容和负载构成，在控制方面，采用了电压外环电流内环解耦的双闭环控制策略。永磁同步发电机参数按REF_Ref68709175\h表21进行设置，给定恒转速1800r/min。接下来对该系统模型进行仿真和分析。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s113PMSG-PWM系统仿真电路FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s113imulationCircuitofPMSG-PWMSystem(1)在带恒定负载条件起动，系统仿真波形。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s114恒定条件启动系统直流侧电压波形FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s114DCVoltageofStartingSystemunderConstantConditionREF_Ref70452886\h图214为PWM整流器直流输出侧的电压波形，在启动的时候，波形会出现超调的情况，但超调量在接受范围内，且在1s内达到指定电压值。图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s115恒定条件启动系统交流侧波形FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s115ACSideWaveformofConstantConditionStartingSystemREF_Ref70346795\h图215表示的是永磁同步发电机中，A相电压电流波形。在系统启动过程中，电流超调严重，因为刚开始运行时电容无电压且PI调节器的收敛速度较慢，经过0.03s后，电流呈正常正弦波，系统能够正常运行。(2)在负载突变条件下，系统仿真波形图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s116在负载突变条件下系统直流侧电压波形FigureSTYLEREF1\s2SEQFigure\*ARABIC\s116TheDC-sidevoltagewaveformofthesystemundertheconditionofloadmutation系统带300kW负载启动，在0.5s时，负载需求功率从300kW突变为735kW。REF_Ref70452903\h图216为直流侧电压波形，当负载突变后，输出电压发生波动，但在接受范围内，且在较短时间内回到指定电压值。REF_Ref70348037\h图217展示的是永磁同步发电机中A相电压、电流的变化波形，由于发电机反电势恒定，系统功率突变后，其相电流则会增大，该过程中相电流变化快速且无畸变。图STYLEREF1\s2SEQ图\*AR