变速永磁同步发电机系统及控制策略

沈建新 缪冬敏

（浙江大学电气工程学院 杭州 310027）

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[1-3]、燃气轮发电机[4]、航空航天用主发电机[5]、车用发电机或起动/发电一体机[6-8]、飞轮储能系统电动/发电一体机[9]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[6]），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。在实际系统中，又以AC-DC-AC结构为多。当然，永磁同步发电机也可通过 AC-DC装置来提供直流电源（例如车用发电机），必要时可再采用DC-DC装置实现高品质的直流稳压。

所以，大部分实际应用的永磁同步发电机都需要一套电力电子装置实现整流与稳压（即提供稳定的直流电源），由此构成一个基本的发电机系统。常见的整流与直流稳压包括以下方式：晶闸管可控整流[6]、二极管不控整流+DC-DC变换[10]，以及PWM整流[4,7]。若最终需要提供交流电源或交流并网，则可在直流环节之后连接逆变装置；当然，逆变装置本身可以稳定交流侧电压，因此对前端直流稳压的要求就比较低。

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Fig.1 Schematics of fundamental PMSG systems with single-terminal voltage stabilization

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。

2.2.3 二极管不控整流+升压/降压复合电路

优化电机的电磁设计，使之在某中间转速 nmid下其输出电压 Umid经整流后接近 Udc。那么，在较低速运行时采用升压电路，在较高速运行时采用降压电路，从而稳定直流侧电压。此结构可以较好地克服前面两种结构对功率器件电压或电流等级要求高的缺点。但是，功率变换装置结构与控制复杂、成本较高；在速度变化范围很宽的情况下，对功率器件的电压或电流等级的要求仍然是比较高的。

3 双端口稳压

第2节所述的单端口稳压控制没有对发电机输出电压采取稳压措施，因此，在宽速度范围条件下，会对功率器件的耐压或耐流选型造成困难，也可能对滤波电容的耐压及发电机本身的绝缘耐压带来不利影响。而双端口稳压控制可以在宽速度范围条件下维持发电机的输出电压稳定或基本稳定，然后通过简单的不控整流提供品质较低的直流电源，或者再配以 DC-DC装置来实现直流侧的高品质稳压，或者用可控的 AC-DC装置实现高品质整流。双端口稳压的基本永磁同步发电机系统的常见结构如图2所示。其优点在于电力电子装置的输入电压基本稳定，不存在功率器件的电压或电流等级选型问题，也不存在DC-DC变换比例非常大或非常小的问题。

图2 双端口稳压的基本永磁同步发电机系统结构框图Fig.2 Schematics of fundamental PMSG systems with dual-terminal voltage stabilization

同步发电机的输出电压受转速、负载、电枢绕组、励磁磁场等因素的影响。对于变速、变负载永磁同步发电机而言，可以通过调节电枢绕组及气隙磁场来维持输出电压的基本稳定。比较成熟及近年来研究较多的包括如下几类控制技术。

3.1 电枢绕组调节控制

永磁同步发电机电枢绕组采用两套或更多套线圈，发电机低速运行时线圈串联，高速运行时线圈并联[11]；或者简单地采用带抽头的电枢绕组，低速运行时有较多线圈匝数接入，高速运行时舍弃一些线圈匝数。由此可以分级调整发电机输出电压，使之变化范围较小。这种结构的缺点在于，需要复杂的功率开关器件或接触器来实现绕组的串并联或线圈匝数取舍，结构复杂，成本较高；如果采用接触器，则在切换时有可能造成短时失电；采用抽头式绕组时，绕组利用率较低；发电机的稳压效果欠佳，因此需要电力电子装置对直流端进一步稳压。

3.2 气隙磁场调节控制

在发电机低速运行时保持较强的气隙磁场，在高速运行时减弱气隙磁场，以此来稳定发电机的输出电压。但是，永磁同步发电机的气隙磁场相比电励磁同步发电机而言较难调节，因此这类控制方法成了近年来的研究热点。

3.2.1 机械式磁场控制

这类控制方法主要是调节定子与转子的相对位置来改变永磁体在电枢绕组中的励磁磁链：对径向磁场电机而言，可以调节转子的轴向位置（即调节转子与定子的重合度）[6]；对轴向磁场电机而言，可以调节转子与定子相对距离[12]。也可以把一个转子分成若干段，每段具有相同极数的永磁体，当它们完全同相位时有效励磁最大，当它们错开一定角度时有效励磁减小[13]。这类方法都需要一套机械装置来控制电机的励磁进而稳定输出电压，结构复杂，体积较大，在成本、可靠性、控制精度等方面也有欠缺之处。

3.2.2 电磁式磁场控制

电磁式方法是给永磁同步发电机的绕组中馈入合适的励磁电流，可以比机械式方法更精确地控制电机的气隙磁场并稳定输出电压。电磁式控制又可分为下述两类：

（1）混合励磁。

混合励磁型永磁同步发电机的结构较多，主要区别在于励磁线圈与转子的电励磁磁极的设置，而其电枢绕组一般与普通同步发电机相同。

文献[14]提出在转子上增加与永磁体相同极数的爪极，在定子上设置励磁线圈。当励磁线圈中馈入可控的直流电流后，在爪极中产生与原有永磁体同方向或反向的励磁磁场，起到增磁或弱磁的目的。并且，电励磁与永磁励磁的磁路相互独立，因此弱磁性质的电励磁不会对永磁体产生明显的退磁作用，而且发电机的电磁设计也比较简单。由于励磁线圈中通入的是直流电流，因此可以用简单的电力电子电路（如H桥）调节励磁电流，实现输出电压的稳压控制。这类电机可以看作是普通永磁同步发电机与爪极式电励磁同步发电机的复合（即两套励磁、一套电枢），原理简单，但是机械结构比较复杂，制造成本较高。文献[15]则在转子上设计了与永磁体混合安装的铁磁磁极，起到与爪极类似的作用。相对而言，其定子励磁绕组与转子磁极都比较容易安装，但是电励磁与永磁励磁的磁路耦合，因此给电磁设计带来一定的难度。

文献[16]提出在定子铁心中安装一套三相补偿绕组（即励磁绕组），而转子仍然采用纯永磁励磁。根据转子位置通入合适的交流励磁电流产生与转子同步的旋转磁场，且该磁场可以对永磁励磁进行适当的增磁与弱磁。显然，这类电机的结构和生产难度与普通永磁同步发电机并无明显区别；只是在定子铁心中须留出励磁绕组的安装空间；电励磁与永磁励磁相互耦合，因此设计难度较大；并且需用三相逆变器控制励磁电流，也需要转子位置信号，因此控制比较复杂。

一般的永磁同步发电机都是把永磁体安装在转子上，但是也有一些电机把永磁体安装在定子上，可以统称为定子永磁式发电机。这类电机的转子都是简单的凸极铁心结构，与开关磁阻电机相同。定子上的永磁体可以安装在铁心轭部，一般称作双凸极永磁电机或永磁式开关磁阻电机；也可以安装在齿内，称作永磁开关磁链电机或永磁磁通切换电机；也可以安装在齿顶表面面向气隙的部位，称为磁链反转式永磁电机。文献[17,18]在双凸极永磁电机的基础上，提出在定子上安装直流励磁绕组，其产生的磁场对永磁励磁进行增磁或弱磁，进而稳定发电机的输出电压。当然，类似的技术也可以用在其他的定子永磁式发电机中[19,20]。

混合励磁型永磁同步发电机一般以永磁励磁为主，励磁能耗低，又可以稳定发电机的输出电压。其主要缺点是电机结构比较复杂，设计较难（例如，须考虑永磁与电励磁磁路的耦合、铁心饱和、永磁体抗退磁等问题），制造比较繁琐，成本较高。

（2）利用电枢电流实现弱磁/增磁。

永磁同步电机的电枢电流可分为d轴电流id和q轴电流 iq两个分量。对于隐极电机而言，iq是有功分量，产生电磁功率；id是无功分量，可以增强或减弱电机气隙中的磁场。对于凸极电机而言，id不仅能调节气隙磁场，而且适当的id也能产生电磁转矩（即磁阻转矩）。

利用id电流实现永磁同步电动机的弱磁运行，可以在电源电压限制的前提下有效扩大电动机的运行速度范围。相关研究早有报道[21-23]；近年来的研究更多，其应用也日益广泛。在永磁同步发电机中则相反，在转速较高时利用id实现弱磁，进而稳定发电机的输出电压。当然，在转速较低时也可以利用id实现增磁。弱磁与增磁运行需要电机本体有此能力，因此跟电机设计密切相关。

尽管弱磁控制技术在永磁同步电动机中已有了很多应用，而在永磁同步发电机中的应用研究则比较少，但其基本原理是类似的[24,25]。图3给出了按电动机原则取正方向时永磁同步发电机的相量图，其中电压相量（U）、电流相量（I）、d轴与 q轴电流相量（Id、Iq）、旋转电动势相量（E）满足式（1）所示的关系，这里R、xd、xq分别是电枢绕组电阻、直轴电抗和交轴电抗。

图3 利用电枢电流实现增磁与弱磁的原理Fig.3 Principle of field strengthening and weakening with armature current

从图3可以看出，当永磁交流发电机工作在低速区时，旋转电动势幅值较小，这时馈入正值的id，d轴电枢反应电动势与旋转电动势同方向，维持电枢绕组的输出电压稳定。反之，当永磁交流发电机工作在高速区时，旋转电动势较大，这时馈入负值的 id，d轴电枢反应电动势反向抵消旋转电动势，继续维持输出电压稳定。从物理意义上也可以理解为：当发电机工作在低速区时，正值的id产生与永磁励磁同方向的磁动势，增强气隙磁场，从而抬升发电机输出电压至期望的稳压值。反之，当发电机工作在高速区时，负值的id产生与永磁励磁反方向的磁动势，削弱气隙磁场，从而降低发电机输出电压至期望的稳压值。当然，在馈入id时，要同时调节 iq，这样既使发电机输出合适的电功率，又保证电流幅值不超过极限值。而且，在增磁时要防止电机磁路过度饱和，在弱磁时要防止永磁体退磁损坏。另外，在设计永磁同步发电机本体时，需要设计较大的直轴电感Ld，这样可以用较小的id产生足够的电励磁磁通对气隙磁场进行有效调节。

这里又可以有两类方法来为电枢绕组馈入所需的直轴电流 id，即用独立的电力电子装置和用系统本身的AC-DC装置。

1）用独立逆变装置馈入直轴电流。

文献[5]提出用不控二极管整流实现 AC-DC变换，并用一个独立的 PWM逆变装置和电抗器（如图4所示）为永磁同步发电机提供id，实现气隙磁场的调节和输出电压的稳定。这种控制方法有点类似于在交流电动机的绕组端部并接电容器进行功率因数补偿，只不过这里是有源补偿，并且目的不是使功率因数最大化，而是在宽运行速度范围内为发电机馈入合适的无功电流进行交流稳压。

图4 用独立逆变装置馈入直轴电流的结构框图Fig.4 Schematic of feeding of d-axis current with a separate inverter

文献[26]提出了与图 4类似思路的技术方案。这类系统的优点是，发电机的有功功率只流经相对便宜且大容量器件容易选取的二极管整流器，而不流经该PWM逆变装置，因此，该逆变装置不需要是全功率的。该优点对大功率发电机系统是很有效的，但是对中小功率系统就不再明显，而其电路结构比较复杂，且直流电源的品质较差。

2）用AC-DC装置馈入直轴电流。

永磁同步发电机的直轴电流也可以直接采用可控的 AC-DC装置来馈入到电枢绕组中，常见的就是全功率式PWM整流装置[8,9]，其基本结构如图5所示。目前兆瓦级的永磁风力发电机通常也采用全功率式背靠背双变换器结构[27,28]，其第一级是PWM整流，第二级是PWM逆变。

图5 用AC-DC装置注入直轴电流的结构框图Fig.5 Schematic of injection of d-axis current with the AC-DC equipment

PWM 整流技术广泛应用于从交流电网获得直流电源的场合，其交流端本身是稳压的，控制对象仅是直流端稳压，即单端口稳压；因此，控制目标往往是交流端的功率因数最大化。但是，PWM 技术应用到永磁同步发电机系统中，系统状态就有了很大的差别：发电机本体可以看作是有内阻抗的交流电源，并且空载电动势的频率与幅值及内阻抗都随发电机转速而显著变化。因此，控制目标就不仅仅是交流端的功率因数最大化。

带 PWM整流的永磁同步发电机与由逆变器供电的永磁同步电动机的结构基本一致，控制方法也可借鉴（如矢量控制、直接转矩控制等），PWM的产生方法也类似（如空间矢量PWM、电流滞环PWM等），只是发电机的交轴电流 iq为负值。文献[8,9]提出利用 PWM 整流器控制发电机输出电流的相位，使得 id=0；系统根据直流母线电压的变化情况来控制 iq的绝对值大小，iq增大则系统有提升直流电压的趋势，反之亦然，因此通过闭环控制可以达到稳定直流母线电压的目的。文献[27,28]提出的 id和iq解耦控制可以实现功率因数、内功率因数或单位电流产生的电磁转矩的最大化。上述这些方法并没有把通过id调节发电机气隙磁场作为控制目标，因此表面上看都是单端口稳压控制。

但是，实际上只要PWM整流器能够稳定工作，永磁同步发电机的输出线电压就是典型的脉冲波形（与逆变器控制的永磁同步电动机端电压波形类似），且其幅值自动被强制为直流电压Udc。这时，永磁同步发电机的线电压 uab、线旋转电动势 eab、电流（ia、ib、ic）及绕组参数满足式（2），其中 L是绕组自感、M是互感。

对于隐极电机，式（2）还可以进一步简化为

一般而言，旋转电动势和电流都是正弦形，而线电压是脉冲波形，因此，线电压与旋转电动势及绕组电阻压降之间存在电压差。从式（2）和式（3）可知，这个电压差等于电感压降，是由电流变化（即基波的正弦变化以及 PWM开关引起的纹波）造成的。很显然，如果发电机转速过高或者过低，旋转电动势过大或过小，那么这个电压差就不足以依靠电感压降来补偿，则PWM整流器就不能稳定工作。所以，永磁同步发电机的转速范围是受到限制的。

为了扩大永磁同步发电机的转速范围，文献[29]提出在高速时利用 PWM整流器为电枢绕组馈入具有弱磁性质的直轴电流 id，可以有效扩展发电机的高速运行区域。该文献给出了某电流幅值限幅为20A的样机系统的仿真结果：在id=0时，要获得50V的直流电压，发电机所允许的最高转速为30rad/s；在id=-5A时，要获得同样的直流电压，发电机的最高转速提高到50rad/s；而在id=-10A和id=-15A时，最高转速分别可达75rad/s和120rad/s。当然，弱磁id的引入限制了 iq的最大值，因此也降低了给定转速下所能获得的最高直流电压。显然，要增加最高直流电压，不能采用弱磁id，而应将id设为0甚至正值（即增磁性质）。但是，一般而言，通过增磁id来扩大永磁同步发电机的低速运行区域的效果不太明显，这是因为低速区工作时基波频率太低，式（2）中的电压差的基波分量很难用电感压降来补偿。

所以，用于永磁同步发电机的PWM整流技术不应单纯地追求功率因数、内功率因数或单位电流产生的电磁转矩的最大化，还应考虑用直轴电流分量来对永磁体起到弱磁作用，进而提高发电机的高速运行范围。该方法对于转速范围很宽的永磁同步发电机系统非常有效。

需要说明的是，在PWM整流时，虽然发电机输出电压的峰值始终是 Udc，但是其基波分量的大小还是随着直轴电流的弱磁作用而变化的。因此，实际上适当的 PWM整流可以使得在不同转速下的发电机输出电压基波分量保持基本稳定。

4 结论

永磁同步发电机具有诸多优点，其应用日益广泛。在大多数应用中，永磁同步发电机通过电力电子装置提供直流电源（由此构成基本的发电机系统），为直流负载供电，也可以再通过逆变装置提供交流电源或并入交流电网。

传统永磁同步发电机的旋转电动势正比于转速，因此，在变速、变负载系统中，发电机的输出电压不稳定。基本永磁同步发电机系统可以是单端口稳压（即发电机输出端不稳压，仅直流端稳压），也可以是双端口稳压。单端口稳压控制一般适用于转速变化范围小的场合；若转速变化范围过大，则可能对功率器件的电压或电流选型、滤波电容的电压选型以及电机绕组的耐压能力带来负面影响。双端口稳压系统的结构与控制策略多样，能有效克服单端口稳压系统的上述不足。可以采用变电枢绕组的方式，但这种控制方式一般是有级的；而采用调节发电机气隙磁场的方法可以实现无级控制。气隙磁场的调节可以通过混合励磁实现，也可以利用独立的励磁装置或者系统本身的PWM整流装置为发电机馈入适当的直轴电流来实现。其中，以 PWM整流装置调节气隙磁场的方法可以精确地实现双端口稳压，并可显著提高系统的高速运行区域。

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