谈变速永磁同步发电机的控制策略

摘要：变速、变负载的永磁同步发电机一般需要电力电子装置进行整流与直流稳压，由此构成了基本的永磁同步发电机系统。该系统既可提供直流电源，也可经逆变后提供交流电源或并入交流电网。本文对基本永磁同步发电机系统的常见结构与控制策略进行综述，分析了其优缺点。

关键词：永磁同步发电机 变流装置 整流 直流-直流变换 稳压控制

中图分类号： TM4 文献标识码： A 文章编号：

1 引言

永磁同步发电机（PMSG）具有效率高、功率密度大、拓扑结构灵活多样、不需电刷机构等诸多优点，因此在风力发电机、燃气轮发电机、航空航天用主发电机、车用发电机或起动/发电一体机、飞轮储能系统电动/发电一体机等诸多场合的应用日益广泛，并覆盖了从兆瓦级到瓦级的很宽功率范围。

永磁同步发电机本身输出交流电。只有当原动机转速恒定时发电机的输出频率才维持稳定，但是输出电压仍会随负载而变化。 为了减小电压调整率，在设计发电机时往往需要大幅度提高永磁磁负荷来减小绕组匝数与阻抗，因此磁负荷与电负荷可能不均匀， 给发电机的功率密度及成本等带来负面影响。而且，原动机往往是变速运行的，甚至速度范围很宽（例如车用发电机的转速变化可达 10 倍以上），则发电机的输出频率与电压大小均不稳定。因此，永磁同步发电机通常需要 AC-AC 或 AC-DC-AC 电力电子装置来实现交流稳压与恒频，也可实现交流并网。

对于变速、 变负载的基本永磁同步发电机系统，稳压控制包括两大类，即：发电机输出端不稳压但直流端稳压，称为单端口稳压；发电机输出端基本稳压且直流端稳压，称为双端口稳压。本文将对这两类系统的构成及控制策略进行综合分析与比较。

2单端口稳压

单端口稳压的基本永磁同步发电机系统的常见结构如图 1 所示，其发电机本身不作稳压控制，而直接依靠电力电子装置实现直流侧的稳压。需要说明的是，直流滤波环节没有在图 1 中示出；逆变器可用以输出后续的交流电源或交流并网，当然，可以看作是直流端的负载。

图 1 单端口稳压的基本永磁同步发电机系统结构框图

2.1晶闸管可控整流

晶闸管可控整流可以是半控型或全控型，可以是单相、三相或多相。该技术已经成熟，所需器件价格低廉，大电流、高电压的器件亦不依赖进口，因此应用广泛。

令永磁同步发电机的最低转速是Nmin，对应的旋转电动势幅值是 Emin；最高转速是Nmax，对应的旋转电动势幅值是 Emax。令所需直流电压是 Udc。那么，必须设计发电机具有足够大的旋转电动势，使得在最低转速下，经最大整流（晶闸管整流器的触发角=0）的直流电压等于或略大于 Udc。那么，当发电机运行在较高转速时，晶闸管整流器的触发角较大，直流侧纹波增大，需要足够的滤波装置。更重要的是，晶闸管及滤波电容的电压等级必须按Emax 而非 Udc 或 Emin 来选择，则在发电机转速变化范围很宽的情况下会带来问题。例如，若Udc是270V， 转速变化范围是10倍，则Emax可超过2700V，给晶闸管与电容器的选型带来困难；并且，在高速运行时整流器输出电压的交流分量远大于直流分量，需要很大的直流滤波环节。

所以， 永磁同步发电机系统采用晶闸管整流时，直流供电品质较差；若转速变化范围大，则对晶闸管及电容器的电压等级要求高，甚至可能找不到满足耐压等级的器件。此外，发电机本身的绝缘耐压等级也需按最大旋转电动势 Emax 设计，要求较高。

2.2二极管不控整流+ DC-DC 变换

功率二极管价格低廉，大电流、高电压的器件亦不依赖进口。DC-DC 变换器的开关频率高，直流侧的滤波比较容易实现，电能品质较好。但是功率开关器件的价格较高，尤其是大电流、高电压、质量好的国产器件较少。

这类系统又可分为下述三种情况。

2.2.1 二极管不控整流+降压电路

必须设计发电机具有足够大的旋转电动势，在Nmin 转速下且最大负载时，发电机输出的最小交流电压 Umin 经不控整流后应略大于 Udc，再作少量的降压（降压电路的 PWM 占空比接近于 100%），达到Udc。那么在 Nmax 转速下且空载时，发电机输出的最大交流电压Umax经不控整流后将数倍于Udc （主要取决于速度变化比） ，再作深度降压（PWM 占空比比较小） ，达到 Udc。所以，功率二极管和功率开关管均须按 Emax 选取电压等级。对于第 2.1 节所举的例子，难以选取合适耐压等级的功率二极管与开关管；而且，在发电机高速区，降压电路的 PWM占空比很小（约 10%） ，直流电压纹波较大，因此对后续的直流滤波环节也有较高要求。

2.2.2二极管不控整流+升压电路

必须设计发电机具有较小的旋转电动势，在Nmax 转速下，发电机输出的 Umax 交流电经不控整流后应略小于 Udc，再作少量升压后达到 Udc。那么在Nmin 转速下，发电机输出的 Umin 交流电经不控整流后可能远小于 Udc（取决于速度变化比），再作深度升压（对于前面所举例子，须达 10 倍以上）才能达到 Udc。功率二极管和功率开关管均按 Emax 选取电压等级，对于前面所举的例子都很容易选取（可取600V 耐压） 。但是，若在整个速度范围内发电系统的功率基本恒定， 则低速nmin时的电流将是高速Nmax时的数倍，而功率管须按最大电流选取电流等级，因此也对器件选型造成不利影响。类似地，发电机也须按最大电流选择绕组线径和设计磁路饱和程度。而且，在Nmin 转速下，高倍数的升压电路较难实现，往往需要大容量的电抗器与电容器等，这对系统的成本、体积、效率都不利。

参考文献

[1]闫耀民,范瑜,汪至中.永磁同步电机风力发电系统的自寻优控制[J].电工技术学报, 2002, 17(6): 82-86.