電氣工程碩士論文：永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的建模與仿真分析

電氣工程碩士論文：永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的建模與仿真分析摘 要永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)因為具有發(fā)電機(jī)電流諧波分量小，功率因數(shù)可調(diào)、直流電壓動態(tài)響應(yīng)快、能量可雙向流動等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶供電、特種車輛供電、混合動力汽車以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域。本文以變速永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)為研究對象，采用理論分析、軟件仿真以及實驗驗證相結(jié)合的研究路線，對永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容如下：首先，本文闡述了永磁同步發(fā)電機(jī)的工作原理，建立永磁同步發(fā)電機(jī)和PWM 整流器在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并研究了永磁同步發(fā)電機(jī)運行的約束條件，為后續(xù)章節(jié)控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。其次，介紹了永磁同步發(fā)電機(jī)的矢量控制原理，并在此基礎(chǔ)上，對雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制方法進(jìn)行研究，指出了傳統(tǒng)雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制存在 dq 軸交叉耦合的問題。針對該問題，本文提出了基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制方法，分析了基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制的運行原理，并給出了基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行范圍。然后，利用 MATLAB 仿真軟件對永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)進(jìn)行了分析，驗證了雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)和基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)在寬功率范圍和寬轉(zhuǎn)速范圍穩(wěn)壓發(fā)電的可行性與有效性，并比較了雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)和基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的控制效果。同時，本文還比較了雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)在無解耦、前饋解耦以及 PI 解耦這 3 種控制方式下的控制效果。最后，完成了基于 TMS320F28335 數(shù)字控制芯片的發(fā)電機(jī)控制器軟硬件設(shè)計，并搭建了對拖臺架試驗平臺，實驗結(jié)果驗證了本文所提出的控制策略的正確性與有效性。關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流器 雙環(huán)控制 解耦控制 電壓 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 緒論1.1 課題研究背景及意義。隨著經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展，能源的意義重大，它不僅是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要動力，而且是科技進(jìn)步的前提。但是由于煤、石油、天然氣等不可再生能源的不斷開發(fā)消耗而引起的能源短缺問題嚴(yán)重影響著經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展。為了解決能源短缺問題，各國學(xué)者致力于研究新能源發(fā)電技術(shù)如風(fēng)力發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等，用風(fēng)能、地?zé)崮苓@些可再生能源來發(fā)電能有效地緩解能源短缺問題1, 2。一方面，要使這些可再生能源轉(zhuǎn)換為電能，需要通過發(fā)電機(jī)裝置來實現(xiàn)，由發(fā)電機(jī)裝置輸出的電能一般直接并網(wǎng)使用或者直接給其他用電設(shè)備供電使用3, 4。另一方面，在野外作業(yè)、車用電源、航空艦船、災(zāi)區(qū)救援等電網(wǎng)無法到達(dá)的場合，為了滿足用電需求，在這些場合需要便攜式電源，而目前便攜式電源存在容量小，不能長時間供電的問題，不能有效地滿足用電需求，故在這些場合也需要使用發(fā)電機(jī)裝置來輸出電能，此時發(fā)電機(jī)裝置輸出的電能將在其他設(shè)備上使用，或存儲到儲能裝置5。在上述的電網(wǎng)無法到達(dá)、新能源發(fā)電等場合的發(fā)電機(jī)需要在轉(zhuǎn)速不恒定的情況下運行，而且通常發(fā)電機(jī)輸出為交流電，不能直接給用電設(shè)備使用，需經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電，才能接入負(fù)載6, 7，而發(fā)電機(jī)發(fā)出來電要并網(wǎng)，除了需要整流器還需經(jīng)過逆變器才能并網(wǎng)8。目前，發(fā)電機(jī)主要有無刷直流發(fā)電機(jī)、開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)、交流異步發(fā)電機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)（Permanent MagnetSynchronous Generator, PMSG）等類型。這些發(fā)電機(jī)的特點如表 1.1 所示。表格中表示發(fā)電機(jī)存在優(yōu)勢的地方，可以發(fā)現(xiàn)永磁同步發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)速范圍寬、功率密度高和工作噪聲低等優(yōu)勢。而且我國是已探明永磁材料釹鐵硼儲量最多的國家，對永磁同步發(fā)電機(jī)的推廣使用具有得天獨厚的優(yōu)勢9。綜上所述，本課題以 PMSG 為研究對象。1.2 變速永磁同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)壓方式的研究現(xiàn)狀。永磁同步發(fā)電機(jī)的主磁場由永磁體形成的，不需要集電環(huán)和電刷裝置，故具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的優(yōu)勢，但 PMSG 還存在氣隙磁密較大、磁場難以調(diào)節(jié)的特點，只能借助調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié) PMSG 的輸出電壓，這使 PMSG 的使用場合受限。因為永磁同步發(fā)電機(jī)輸出為交流電，在轉(zhuǎn)速保持不變后，PMSG 輸出交流電的頻率也保持不變，但其輸出電壓的幅值會隨著負(fù)載一起變化。因此為了給負(fù)載供電，永磁同步發(fā)電機(jī)輸出電壓還需經(jīng)過整流裝置，才能得到幅值不變的直流電給負(fù)載供電。目前，PMSG 常用的整流裝置有：二極管不控整流加DC/DC 變換器10-14、晶閘管半控整流15、二極管不控整流加前級有源濾波裝置16, 17與 PWM 可控整流18-21。1）二極管不控整流加 DC/DC 變換器。二極管不可控整流具有結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良等特點。由于永磁同步發(fā)電機(jī)輸出交流電與轉(zhuǎn)速有關(guān)，只經(jīng)過二極管不可控整流裝置不能得到穩(wěn)定的輸出電壓，還需要經(jīng)過 DC/DC 變換器，才能使得不同工況下的輸出電壓保持穩(wěn)定。DC/DC 變換器一般在較高開關(guān)頻率下工作，在輸出側(cè)增加濾波電路效果好，電能品質(zhì)高。但是當(dāng) PMSG 轉(zhuǎn)速波動比較大時二極管不可控整流的輸出電壓波動也比較大，為了得到穩(wěn)定的直流電，要求 DC/DC 變換器能在較寬的輸入范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的直流電，這會增加電路的設(shè)計難度以及器件的選型。而且因為二極管不可控整流裝置的存在，PMSG 的相電流會存在比較多的五次諧波和七次諧波分量，使整個系統(tǒng)的損耗變高，嚴(yán)重的話，可能會導(dǎo)致永磁體失磁22。2）晶閘管半控整流。如圖 1.2 所示，永磁同步發(fā)電機(jī)在需要寬轉(zhuǎn)速運行的場合，若使用該整流方式進(jìn)行發(fā)電需要考慮晶閘管觸發(fā)角的變化情況。永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的運行范圍越寬，對晶閘管的要求就越高，增加了晶閘管選型的難度。而且隨著 PMSG的轉(zhuǎn)速升高，晶閘管半控整流輸出電壓的電壓紋波就越大，會影響整個系統(tǒng)的性能。3）二極管不可控整流加前級有源濾波裝置。如圖 1.3 所示，該整流方式為了滿足永磁同步發(fā)電機(jī)在高轉(zhuǎn)速也能進(jìn)行穩(wěn)壓發(fā)電的需求，會通過有源濾波裝置在永磁同步發(fā)電機(jī)的相電流中饋入直軸電流分量。因為有源濾波裝置只是單純用來饋入直流電流分量，故其對功率的要求比較低。有源濾波裝置會增加電路的設(shè)計難度，而且該整流方式還存在輸出電能品質(zhì)差的缺點。4）PWM 可控整流。PWM 可控整流屬于全控型整流裝置，該整流裝置可以調(diào)節(jié)永磁同步發(fā)電機(jī)的相電流的幅值和相位，減小相電流中的諧波含量并調(diào)節(jié) PMSG 的功率因數(shù)，提高發(fā)電效率。此外，PWM 可控整流還能實現(xiàn)電動和發(fā)電兩種狀態(tài)的控制23-25。與其他方式相比，采用 PWM 可控整流方式的 PMSG 系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，故本課題中 PMSG 的整流方式采用 PWM 可控整流，其示意圖如圖 1.4 所示。1.3 變速永磁同步發(fā)電機(jī)控制策略研究現(xiàn)狀1.3.1 PWM 整流技術(shù)研究現(xiàn)狀1.3.2 永磁同步發(fā)電機(jī)弱磁控制研究現(xiàn)狀1.4 本文的主要研究內(nèi)容第 2 章 PMSG 整流系統(tǒng)運行原理及運行特性2.1 永磁同步發(fā)電機(jī)工作原理2.2 永磁同步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型2.2.1 坐標(biāo)變換技術(shù)2.2.2 三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.2.3 dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型2.3 永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流器的數(shù)學(xué)模型2.4 永磁同步發(fā)電機(jī)運行約束2.4.1 電壓極限橢圓和電流極限圓2.4.2 MTPA 曲線和 MTPV 曲線2.5 本章小結(jié)第 3 章 永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的控制策略3.1 永磁同步發(fā)電機(jī)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 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制3.2.1 傳統(tǒng)雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制3.2.2 基于前饋解耦的雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制3.2.3 基于 PI 解耦的雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制3.3 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制3.3.1 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制原理3.3.2 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析3.4 空間矢量脈寬調(diào)制3.4.1 SVPWM 基本原理3.4.2 SVPWM 算法實現(xiàn)3.5 本章小結(jié)第 4 章 永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的建模與仿真4.1 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的仿真分析4.1.1 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的建模4.1.2 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真驗證4.1.3 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)動態(tài)仿真驗證4.2 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)的仿真分析4.2.1 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)仿真驗證4.2.2 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)動態(tài)仿真驗證4.3 兩種弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)對比分析4.4 本章小結(jié)第 5 章 控制系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗分析5.1 控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)5.2 控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)5.2.1 主程序設(shè)計5.2.2 主中斷程序設(shè)計5.3 實驗結(jié)果與分析5.3.1 實驗平臺設(shè)計5.3.2 雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)實驗驗證5.3.3 基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)實驗驗證5.4 本章小結(jié)第 6 章 總結(jié)永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)因為具有功率因數(shù)可調(diào)、發(fā)電機(jī)電流諧波分量小、能量可雙向流動、直流電壓動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于船舶供電、特種車輛供電、混合動力汽車以及新能源發(fā)電等領(lǐng)域，所以本課題對永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的研究是具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值的。本文的主要工作如下：1）推導(dǎo)了永磁同步發(fā)電機(jī)和 PWM 整流器在 dq 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，并對永磁同步發(fā)電機(jī)的運行約束條件進(jìn)行研究，為整流系統(tǒng)控制策略的研究奠定了基礎(chǔ)。2）對傳統(tǒng)雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制方法進(jìn)行深入的研究與分析，針對其存在的dq軸交叉耦合的問題，提出了用前饋解耦和PI解耦兩種控制方式來解決問題。但由于這兩種控制方式存在局限性，又進(jìn)一步提出了基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制方法，并對該種控制方法進(jìn)行穩(wěn)定性分析，給出了穩(wěn)定運行的范圍。3）搭建了永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的仿真模型，對基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制方法和雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制方法進(jìn)行了仿真驗證，并比較了這兩種控制方法的控制性能。4）完成了永磁同步發(fā)電機(jī) PWM 整流系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，介紹主要檢測電路和驅(qū)動電路以及主程序和主中斷程序的流程圖。最后在實驗平臺上，對雙環(huán)可控的弱磁穩(wěn)壓控制系統(tǒng)和基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制進(jìn)行了實驗驗證。穩(wěn)態(tài)實驗和動態(tài)實驗的結(jié)果都表明，基于電壓角度的弱磁穩(wěn)壓控制和基于 PI 解耦的雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制都比傳統(tǒng)雙環(huán)可控弱磁穩(wěn)壓控制的控制效果要好，具有良好的動態(tài)性能。