电气工程硕士论文：永磁同步发电机 PWM 整流系统的建模与仿真分析

电气工程硕士论文：永磁同步发电机 PWM 整流系统的建模与仿真分析摘 要永磁同步发电机 PWM 整流系统因为具有发电机电流谐波分量小，功率因数可调、直流电压动态响应快、能量可双向流动等优点，被广泛应用于船舶供电、特种车辆供电、混合动力汽车以及新能源发电等领域。本文以变速永磁同步发电机 PWM 整流系统为研究对象，采用理论分析、软件仿真以及实验验证相结合的研究路线，对永磁同步发电机 PWM 整流系统的控制策略进行了研究，具体内容如下：首先，本文阐述了永磁同步发电机的工作原理，建立永磁同步发电机和PWM 整流器在旋转坐标系下的数学模型，并研究了永磁同步发电机运行的约束条件，为后续章节控制策略的研究奠定了基础。其次，介绍了永磁同步发电机的矢量控制原理，并在此基础上，对双环可控弱磁稳压控制方法进行研究，指出了传统双环可控弱磁稳压控制存在 dq 轴交叉耦合的问题。针对该问题，本文提出了基于电压角度的弱磁稳压控制方法，分析了基于电压角度的弱磁稳压控制的运行原理，并给出了基于电压角度的弱磁稳压控制系统的稳定运行范围。然后，利用 MATLAB 仿真软件对永磁同步发电机 PWM 整流系统进行了分析，验证了双环可控弱磁稳压控制系统和基于电压角度的弱磁稳压控制系统在宽功率范围和宽转速范围稳压发电的可行性与有效性，并比较了双环可控弱磁稳压控制系统和基于电压角度的弱磁稳压控制系统的控制效果。同时，本文还比较了双环可控弱磁稳压控制系统在无解耦、前馈解耦以及 PI 解耦这 3 种控制方式下的控制效果。最后，完成了基于 TMS320F28335 数字控制芯片的发电机控制器软硬件设计，并搭建了对拖台架试验平台，实验结果验证了本文所提出的控制策略的正确性与有效性。关键词：永磁同步发电机 PWM 整流器 双环控制 解耦控制 电压 角度控制。AbstractPWM rectification system of permanent magnet synchronous generator (PMSG) has the advantages of low harmonic current, adjustable power factor, rapid dynamicresponse of DC voltage, and bidirectional flow of energy. It is widely used in ship power supply, special vehicle power supply, hybrid vehicle, new energy power generation and other fields. This paper takes the variable-speed PWM rectification system of PMSG as research object, adopts the combination of theoretical analysis,software simulation and experimental verification as the research route to study the control strategy of the PWM rectification system of PMSG. The specific contents are as follows:Firstly, this paper expounds the working principle of PMSG, establishes the mathematical model of rectification system under rotating coordinate system, andstudies the operating constraint condition of PMSG, which laid the foundation for the study of control strategies .Secondly, the vector control theory of PMSG are introduced. On this basis, the paper studied dual-loop flux-weakening control with steady voltage, and pointed out traditional method existing cross coupling of dq axes. In order to solve the problem,flux-weakening control based on voltage angle is proposed, and the stable operating range of the system is given.Thirdly, MATLAB is used to analyze PWM rectification system of PMSG, which verified that the dual-loop flux-weakening control system and flux-weakening control system based on voltage angle are stable in the wide power range and wide speed range.And the effect of two control method is compared. Meanwhile, this paper compared the effects of dual-loop flux-weakening control under three modes: decoupling,feedforward decoupling and PI decoupling.Finally, the hardware and software design of generator controller based on TMS320F28335 digital control chip are completed, and the platform for back-to-backtest is built. The experimental results verified the effectiveness of the proposed control strategy.Keywords:PMSG PWM rectifier Double loop control Decoupling control Voltage angle control。第 1 章 绪论1.1 课题研究背景及意义。随着经济和科技的高速发展，能源的意义重大，它不仅是经济发展的主要动力，而且是科技进步的前提。但是由于煤、石油、天然气等不可再生能源的不断开发消耗而引起的能源短缺问题严重影响着经济和科技发展。为了解决能源短缺问题，各国学者致力于研究新能源发电技术如风力发电、地热发电等，用风能、地热能这些可再生能源来发电能有效地缓解能源短缺问题1, 2。一方面，要使这些可再生能源转换为电能，需要通过发电机装置来实现，由发电机装置输出的电能一般直接并网使用或者直接给其他用电设备供电使用3, 4。另一方面，在野外作业、车用电源、航空舰船、灾区救援等电网无法到达的场合，为了满足用电需求，在这些场合需要便携式电源，而目前便携式电源存在容量小，不能长时间供电的问题，不能有效地满足用电需求，故在这些场合也需要使用发电机装置来输出电能，此时发电机装置输出的电能将在其他设备上使用，或存储到储能装置5。在上述的电网无法到达、新能源发电等场合的发电机需要在转速不恒定的情况下运行，而且通常发电机输出为交流电，不能直接给用电设备使用，需经过整流器转换为直流电，才能接入负载6, 7，而发电机发出来电要并网，除了需要整流器还需经过逆变器才能并网8。目前，发电机主要有无刷直流发电机、开关磁阻发电机、交流异步发电机、永磁同步发电机（Permanent MagnetSynchronous Generator, PMSG）等类型。这些发电机的特点如表 1.1 所示。表格中表示发电机存在优势的地方，可以发现永磁同步发电机具有转速范围宽、功率密度高和工作噪声低等优势。而且我国是已探明永磁材料钕铁硼储量最多的国家，对永磁同步发电机的推广使用具有得天独厚的优势9。综上所述，本课题以 PMSG 为研究对象。1.2 变速永磁同步发电机稳压方式的研究现状。永磁同步发电机的主磁场由永磁体形成的，不需要集电环和电刷装置，故具有结构简单、可靠性高的优势，但 PMSG 还存在气隙磁密较大、磁场难以调节的特点，只能借助调节转速来调节 PMSG 的输出电压，这使 PMSG 的使用场合受限。因为永磁同步发电机输出为交流电，在转速保持不变后，PMSG 输出交流电的频率也保持不变，但其输出电压的幅值会随着负载一起变化。因此为了给负载供电，永磁同步发电机输出电压还需经过整流装置，才能得到幅值不变的直流电给负载供电。目前，PMSG 常用的整流装置有：二极管不控整流加DC/DC 变换器10-14、晶闸管半控整流15、二极管不控整流加前级有源滤波装置16, 17与 PWM 可控整流18-21。1）二极管不控整流加 DC/DC 变换器。二极管不可控整流具有结构简单，经济性优良等特点。由于永磁同步发电机输出交流电与转速有关，只经过二极管不可控整流装置不能得到稳定的输出电压，还需要经过 DC/DC 变换器，才能使得不同工况下的输出电压保持稳定。DC/DC 变换器一般在较高开关频率下工作，在输出侧增加滤波电路效果好，电能品质高。但是当 PMSG 转速波动比较大时二极管不可控整流的输出电压波动也比较大，为了得到稳定的直流电，要求 DC/DC 变换器能在较宽的输入范围内输出稳定的直流电，这会增加电路的设计难度以及器件的选型。而且因为二极管不可控整流装置的存在，PMSG 的相电流会存在比较多的五次谐波和七次谐波分量，使整个系统的损耗变高，严重的话，可能会导致永磁体失磁22。2）晶闸管半控整流。如图 1.2 所示，永磁同步发电机在需要宽转速运行的场合，若使用该整流方式进行发电需要考虑晶闸管触发角的变化情况。永磁同步发电机转速的运行范围越宽，对晶闸管的要求就越高，增加了晶闸管选型的难度。而且随着 PMSG的转速升高，晶闸管半控整流输出电压的电压纹波就越大，会影响整个系统的性能。3）二极管不可控整流加前级有源滤波装置。如图 1.3 所示，该整流方式为了满足永磁同步发电机在高转速也能进行稳压发电的需求，会通过有源滤波装置在永磁同步发电机的相电流中馈入直轴电流分量。因为有源滤波装置只是单纯用来馈入直流电流分量，故其对功率的要求比较低。有源滤波装置会增加电路的设计难度，而且该整流方式还存在输出电能品质差的缺点。4）PWM 可控整流。PWM 可控整流属于全控型整流装置，该整流装置可以调节永磁同步发电机的相电流的幅值和相位，减小相电流中的谐波含量并调节 PMSG 的功率因数，提高发电效率。此外，PWM 可控整流还能实现电动和发电两种状态的控制23-25。与其他方式相比，采用 PWM 可控整流方式的 PMSG 系统具有明显的技术优势，故本课题中 PMSG 的整流方式采用 PWM 可控整流，其示意图如图 1.4 所示。1.3 变速永磁同步发电机控制策略研究现状1.3.1 PWM 整流技术研究现状1.3.2 永磁同步发电机弱磁控制研究现状1.4 本文的主要研究内容第 2 章 PMSG 整流系统运行原理及运行特性2.1 永磁同步发电机工作原理2.2 永磁同步发电机数学模型2.2.1 坐标变换技术2.2.2 三相坐标系下的数学模型2.2.3 dq 坐标系下的数学模型2.3 永磁同步发电机 PWM 整流器的数学模型2.4 永磁同步发电机运行约束2.4.1 电压极限椭圆和电流极限圆2.4.2 MTPA 曲线和 MTPV 曲线2.5 本章小结第 3 章 永磁同步发电机 PWM 整流系统的控制策略3.1 永磁同步发电机矢量控制3.1.1 矢量控制的基本原理3.1.2 常用的矢量控制方法3.2 双环可控弱磁稳压控制3.2.1 传统双环可控弱磁稳压控制3.2.2 基于前馈解耦的双环可控弱磁稳压控制3.2.3 基于 PI 解耦的双环可控弱磁稳压控制3.3 基于电压角度的弱磁稳压控制3.3.1 基于电压角度的弱磁稳压控制原理3.3.2 基于电压角度的弱磁稳压控制系统稳定性分析3.4 空间矢量脉宽调制3.4.1 SVPWM 基本原理3.4.2 SVPWM 算法实现3.5 本章小结第 4 章 永磁同步发电机 PWM 整流系统的建模与仿真4.1 双环可控弱磁稳压控制系统的仿真分析4.1.1 双环可控弱磁稳压控制系统的建模4.1.2 双环可控弱磁稳压控制系统稳态仿真验证4.1.3 双环可控弱磁稳压控制系统动态仿真验证4.2 基于电压角度的弱磁稳压控制系统的仿真分析4.2.1 基于电压角度的弱磁稳压控制系统稳态仿真验证4.2.2 基于电压角度的弱磁稳压控制系统动态仿真验证4.3 两种弱磁稳压控制系统对比分析4.4 本章小结第 5 章 控制系统实现及实验分析5.1 控制系统硬件实现5.2 控制系统软件实现5.2.1 主程序设计5.2.2 主中断程序设计5.3 实验结果与分析5.3.1 实验平台设计5.3.2 双环可控弱磁稳压控制系统实验验证5.3.3 基于电压角度的弱磁稳压控制系统实验验证5.4 本章小结第 6 章 总结永磁同步发电机 PWM 整流系统因为具有功率因数可调、发电机电流谐波分量小、能量可双向流动、直流电压动态响应快等优点，被广泛应用于船舶供电、特种车辆供电、混合动力汽车以及新能源发电等领域，所以本课题对永磁同步发电机 PWM 整流系统的研究是具有重要的理论意义和实际应用价值的。本文的主要工作如下：1）推导了永磁同步发电机和 PWM 整流器在 dq 坐标系下的数学模型，并对永磁同步发电机的运行约束条件进行研究，为整流系统控制策略的研究奠定了基础。2）对传统双环可控弱磁稳压控制方法进行深入的研究与分析，针对其存在的dq轴交叉耦合的问题，提出了用前馈解耦和PI解耦两种控制方式来解决问题。但由于这两种控制方式存在局限性，又进一步提出了基于电压角度的弱磁稳压控制方法，并对该种控制方法进行稳定性分析，给出了稳定运行的范围。3）搭建了永磁同步发电机 PWM 整流系统的仿真模型，对基于电压角度的弱磁稳压控制方法和双环可控弱磁稳压控制方法进行了仿真验证，并比较了这两种控制方法的控制性能。4）完成了永磁同步发电机 PWM 整流系统的软硬件设计，介绍主要检测电路和驱动电路以及主程序和主中断程序的流程图。最后在实验平台上，对双环可控的弱磁稳压控制系统和基于电压角度的弱磁稳压控制进行了实验验证。稳态实验和动态实验的结果都表明，基于电压角度的弱磁稳压控制和基于 PI 解耦的双环可控弱磁稳压控制都比传统双环可控弱磁稳压控制的控制效果要好，具有良好的动态性能。