大功率永磁同步电机发电运行状态下的单位功率因素控制研究

张永刚

(甘肃中医药大学定西校区，信息工程学院，甘肃 兰州，730000)

0　引　言

在各种大功率电机中，永磁同步电机的结构简单、效率高、体积小、损耗小，因此在混合动力汽车、风力发电、余热发电等领域中得到广泛应用[1]。

在永磁同步电机的发电运行控制中，关键的问题是实现电机瞬时输出转矩的高性能控制。在系统参数不变的情况下，对电磁转矩的控制最终可归结为对交轴电流、直轴电流的控制。对于给定的输出电磁转矩，对应无穷多个交、直轴电流的组合，不同的组合将影响系统的相电压、功率因数和极限功率、电流谐波含量、效率以及转矩输出能力，由此形成了永磁同步电机发电运行的电流控制策略问题[2]。矢量控制是高性能永磁同步电机发电运行控制系统的基础。常用的矢量控制方法有isd=0、恒端电压、单位功率因数等控制策略[3]。

本文主要研究单位功率因数这种电流控制策略，采用MATLAB/Simulink平台对该控制策略下永磁同步电机发电运行控制系统中，电机的基波性能和谐波影响进行仿真对比分析。仿真结果验证了理论分析的正确性，对直驱式永磁同步电机发电运行控制有一定的参考价值。

1　永磁同步电机PWM变流器的数学模型

永磁同步电机的PWM变流器主电路结构如图1所示。图1中esa、esb、esc为PMSM转子磁链感应电动势，isa、isb、isc为三相定子电流，RS为定子电阻，LS为定子电感与外串滤波电感的等效电感，usa、usb、usc为变流器相电压。V1～V6为功率开关器件IGBT，RL为可变负载，C为直流母线支撑电容，Udc为直流母线电压，idc为直流电流，ic为母线电容充、放电电流，EL为直流电源电动势[4]。

图1　PMSM的PWM变流器主电路结构

在转子磁链定向的d-q轴坐标下，永磁同步电机发电运行的电压方程如下：

(1)

定子磁链分量为：

(2)

式中:usd、usq为同步电机电压的直轴和交轴分量;isd、isq为电流的直轴和交轴分量;Ra为电机每相绕组的电阻;Lsd、Lsq为同步电机定子电感的d轴和q轴分量;ψsd、ψsq是定子绕组磁链的d轴和q轴分量;ω是转子旋转电角速度;ψf为定子磁场磁链。稳态运行时，定子电阻忽略不计。

当采用isd=0的控制方法时，电机的电磁转矩表达式为：

(3)

图2　永磁同步电机发电运行的稳态向量图

在本文中永磁同步电机采用单位功率因数控制策略，在该控制策略下永磁同步电机发电运行时的稳态相量图如图2所示[5-6](发电机惯例)。

忽略定子电阻R1时，永磁同步电机的电磁功率Pe可表示为：

Pe=3E0Iq=3U1I1cosφ

(4)

定子电流I1为：

(5)

2　单位功率因数控制策略的性能分析

采用单位功率因数控制策略时，cosφ=1，由式(4)可得:

Pe=3E0Iq=3U1I1

(6)

由图2可得:

(7)

将式(7)代入式(6)有:

(8)

求解式(8)可得:

(9)

将式(9)代入式(7)有:

(10)

当发电机转速一定时，直驱永磁风力发电机的空载电动势E0不变，式(9)、式(10)描述了发电机在cosφ=1条件下定子电流I1和电压U1与电磁功率Pe的关系[7-8]。

永磁同步电机变流器无功功率闭环单位功率因数控制框图如图3所示，仍然采用功率外环和电流内环的双闭环矢量控制策略，有功功率给定与实际有功功率的偏差经PI调节器输出作为q轴电流(有功电流)isq的给定；由于是单位功率因数控制，因此发电机无功功率给定Qsref=0，它与实际无功功率的偏差经PI调节输出作为d轴电流isd的给定。

图3　PMSM-PWM的单位功率因数控制框图

3　仿真与计算分析

在MATLAB/Simulink环境中，建立PMSM-PWM系统的仿真模型，仿真所用永磁同步电机的参数如表1所示。对本文所提出的控制策略下永磁同步发电机的基波性能和谐波影响进行仿真对比分析。

表1　永磁同步电机参数

3.1　单位功率因素下控制策略的基波性能仿真分析

单位功率因数控制中，无功功率为零，d轴无功功率环的参考给定为0，有功电流的参考给定仍为直流电压环PI控制器的输出，得到发电机的基波性能波形如图4～图6所示。

图4　直流母线电压

图5　永磁同步电机的定子电流波形

图6　永磁同步电机的转矩波形

仿真得到转矩脉动为4.8%。由图6可以看出直流母线电压稳定在设定的900 V，响应速度快,定子电流波形正弦度好。

3.2　单位功率因素控制策略的谐波影响仿真分析

本文利用Ansoft分析了单位功率因素控制策略下永磁同步电机发电运行时不同负载状态下的铁耗，计算出了相关铜耗和工作效率。具体分析如图7和表2所示。

图7　单位功率因数控制下定子电流的傅里叶FFT分解图

负载铜耗/kW铁耗/kW杂散损耗/kW机械损耗/kW总损耗/kW效率100%0．8945．5361%5%56．8393．23%75%0．8745．4071%5%44．0893．01%50%0．8595．2941%5%31．3592．54%25%0．8465．1431%5%18．5991．15%

综上可得：额定负载时交流电流的电流谐波畸变率THD=2.39%。随着负载率的减下，铜耗和铁耗基本不变。效率逐渐减小，额定负载时工作效率为93.23%。

4　结束语

通过上述分析可得单位功率因素控制的特点如下：

isd=0控制方法中电机功率因数较低，电机和逆变器的容量不能充分利用，由于逆变器输出电压限制，随着电流增加，电流控制逆变器很容易达到饱和，会导致电机的输出转矩和过载能力下降。单位功率因数控制策略与isd=0控制方法相比，单位功率因数控制产生相同电磁转矩所需的定子电流幅值较小，电机铜耗降低，效率提高；电机动态性能显著提高；输出无功功率为零，变流器的容量得到了充分的利用，可以减小变流器的功率等级，但该方法能够输出的最大转矩较小。

参考文献：

[1] HUANG KEYUAN，HUANG SHOUDAO，SHE FENG．A control strategy for direct-drive permanent-magnet wind-power generator using back-to-back PWM coverter [C]．The 11 th International Conference on Electrical Machines and Systems，Wuhan，2008.

[2] 张雷,付勋波.不同控制目标下的永磁同步风力发电机控制策略分析[J].大功率变流技术,2009,32(1):31-34.

[3] 桑建斌,张磊,林明耀.永磁同步风力发电机电流控制策略比较[J].微特电机,2011,39(12):42-46.

[4] 黄守道,高剑,罗德荣.直驱永磁风力发电机设计及并网控制[M].北京：电子工业出版社，2014.

[5] 鞠天广,任永峰. 直驱永磁同步风力发电机控制策略的研究[J].微电机, 2012,45(8):38-41.

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[7] 唐朝晖,丁强,喻寿益,等.内埋式永磁同步电机的弱磁控制策略[J]. 电机与控制学报,2010,14(5):68-72.

[8] 刘文良,张国政.永磁同步电机单位功率因数控制[J].微电机,2012,45(2):63-67.