用于永磁同步发电机的PWM整流器方案设计

摘要：本文对基于磁链观测器的PWM整流器应用于永磁同步发电机的方案进行了设计,不仅使发电机输出电流正弦且相位可控,还允许永磁同步发电机运行于变转速状态,既提高了系统的效率又增加了运行的灵活性。

关键词：永磁同步 发电机 整流器 设计方案

1、引言

传统的不控整流电路无法实现对发电机的功率控制,并带来了较大的低频谐波,整体效率较低。电压型PWM整流器因其具有输入电流波形正弦、相位可控,直流母线电压保持恒定,能量自由双向传递等优点[1],越来越受到国内外学者的关注,在电机四象限运行控制、并网逆变器中得到了广泛应用[2-3]。但对于永磁同步发电机系统[4],电机和功率变换器之间没有电抗器,电机端电压为PWM波,电机反电势无法直接检测。为此,需要借助一定的算法（如滑模观测器）估算出反电势或磁链,完成对永磁同步电机输出功率的控制,实现高效发电运行。

2、系统结构

系统的结构框图如图1所示。为高速永磁同步发电机的反电动势,为电机定子漏电感,为电机定子电阻和功率开关管损耗等效电阻之和。基于系统对快速动态特性的要求,采用电流前馈解耦的矢量控制方法,可以按电压矢量或者磁链矢量定向。由于电机端电压为PWM波,无法利用电压传感器得到连续的电压信号,无法直接确定电压矢量的位置。因此采用无电压传感器PWM整流器控制策略。系统控制的目标是使电流与反电动势同相位,必须构建观测器对反电动势进行观测。此外,可以通过对反电动势的积分得到磁链,然后按照磁链矢量进行定向。由于反电动势估计算式中存在对电流的微分项,容易带来和放大噪声干扰,而磁链观测器的估计算法有电流的积分项,对测量的干扰具有良好的抑制作用。因此本文采用磁链观测器和磁链定向的电流前馈解耦控制方案。

图1 系统结构图

3、交流侧电感设计

PWM整流器的交流侧电感设计对系统的性能至关重要,因为交流侧电感的取值不仅影响电流环的动静态特性,而且还制约输出功率、功率因数以及直流电压。基于本课题的特殊性,有两种电感设计方案可供选择,一种是将发电机定子漏电感作为交流侧电感,且是不可改变的固定值,逆向推导漏电感对其他量的制约关系,考虑漏电感的饱和特性,对电感值的非线性变化进行补偿。另一种方案是在发电机和VSR之间串入电抗器,按照一般方法设计该电抗器。

由于高速永磁发电机发电基频远远大于工频,VSR的输入输出特性与工频情况下相比会降低。如果低于系统的性能指标,那么必须对电流控制方案进行修改。性能下降的原因是一个调制波周期的PWM载波数量减少,因此提高载波频率是解决的方案之一。如果载波频率不能提高的话,对控制方案进行简化,缩短计算时间然后提高载波频率。

4、控制方案

基于电网电压矢量定向的直接电流控制因其具有电流内环结构、且拥有良好的动静态特性等优点而得到了更多的关注。其中,三相静止坐标系下的直接电流控制物理概念清晰,并且在单相与三相并网逆变器系统中均适用,但无法实现并网电流的无静差控制,并且指令电流为具有一定频率、幅值和相角的正弦波时变信号,不利于控制系统的设计。相比之下,两相同步旋转坐标系下的直接电流控制可以实现并网电流的无静差控制,指令电流为直流时不变信号,并且可以对无功电流和有功电流分别进行独立控制,便于有功能量和无功能量的解耦控制。因此,对于动静态性能要求较高的场合,一般优先采用同步旋转坐标系下的电流控制方案。

4.1 电流内环

基于系统对快速动态特性的要求,采用电流前馈解耦的矢量控制方法。在旋转坐标系下将dq轴电流完全解耦,内环变为两个独立的单输入单输出系统。d轴电流控制有功功率,q轴电流控制功率因数。

4.2 电压外环

电压外环采用PI调节,直流电压反馈和给定值做差,经调节器和限幅环节后的值作为d轴电流的给定值。电压外环决定了直流电压的稳态和动态特性。

5、结语

首先确定了系统运行的控制结构,基于磁链观测器抑制扰动的特点,确定了采用磁链观测器和磁链定向的电流前馈解耦控制的方案。鉴于PWM整流器交流侧电感的重要性,详细简绍了设计的基本原则,给出了针对高速发电机时的设计建议。最好确定了电流前馈解耦的矢量控制方法。

参考文献

[1]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制.机械工业出版社,2003.

[2]武志贤,蔡丽娟,汤酉元.三相高功率因数整流器的研究现状及展望.电气传动,2005,35(2):3-7.

[3]J.R.Rodrgruez,J.W.Dixon.PWM Regenerative Rectifiers:State of the Art.IEEE Trans.on Industrial Electronics.2005,52(1):5-22.

[4]唐任远等.现代永磁电机理论与设计.机械工业出版社,1997.