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[導讀]摘要:針對直接轉矩控制(DTC)數字控制系統(tǒng)采樣與控制時延所造成的電機轉矩與磁鏈紋波增大的問題,提出一種應用于永磁同步發(fā)電機(PM SG)的預測DTC策略。通過建立PMSG的數學模型,深入分析控制系統(tǒng)的時延機理,建立了基

摘要:針對直接轉矩控制(DTC)數字控制系統(tǒng)采樣與控制時延所造成的電機轉矩與磁鏈紋波增大的問題,提出一種應用于永磁同步發(fā)電機(PM SG)的預測DTC策略。通過建立PMSG的數學模型,深入分析控制系統(tǒng)的時延機理,建立了基于電機模型方程的轉矩與磁鏈預測算法。最后構建了PMSG實驗機組,實驗結果表明,該預測策略在保持傳統(tǒng)DTC優(yōu)良動態(tài)性能的基礎上,可有效減小轉矩紋波,系統(tǒng)性能得到提升。
關鍵詞:永磁同步發(fā)電機;直接轉矩控制;時間延遲

1 引言
    以風力發(fā)電為代表的可再生能源得到廣泛關注,其中基于雙饋感應發(fā)電機與PMSG的風電系統(tǒng)應用最為廣泛。由于PMSG風電系統(tǒng)具有運行
效率高、調速范圍寬等優(yōu)點,且無需齒輪箱、滑環(huán)與電刷等,已成為大功率、海上風電領域極具潛力的發(fā)展方向。
    為滿足PMSG的高性能運行需求,DTC作為一種先進的交流電機控制策略,應用于風電領域極具優(yōu)勢。其中基于空間矢量調制(SVM)的DTC具有開關頻率恒定、轉矩紋波較小等優(yōu)點。為改善傳統(tǒng)DTC較大的轉矩與磁鏈紋波,可采用基于開關表方法的預測DTC技術,但其控制算法較復雜,且無法克服開關頻率不固定等問題。
    為提高PMSG運行性能,在此建立PMSG數學模型,在分析控制系統(tǒng)采樣延遲的基礎上,提出一種基于SVM的預測DTC策略。通過搭建的PMSG實驗機組,對所提方案進行了實驗驗證。

2 PMSG預測直接轉矩控制
2.1 PMSG數學模型
   
兩相靜止α,β坐標系下PMSG的定子電壓、磁鏈數學模型為:
   
2.2 預測直接轉矩控制策略
   
傳統(tǒng)DTC算法中,定子磁鏈與電磁轉矩是根據當前采樣點(假定為k時刻)的電壓u(k)與電流值i(k)由式(1),(2)算得,并根據DTC策略得到相應的目標電壓矢量v(k)。理想情況下該電壓矢量在k時刻施加,在k+1時刻使轉矩與磁鏈達到給定值,如圖1a所示。但由于采樣及數字計算的延遲,期望電壓矢量實際上是在一個采樣周期后,即k+1時刻施加,在k+2時刻才使轉矩與磁鏈達到給定值,如圖1b所示。這使得轉矩與磁鏈的響應始終滯后一個開關周期,降低了PMSG系統(tǒng)的運行性能。


    對此,這里給出一種基于預測方法的DTC策略,如圖1c所示。根據k采樣時刻電壓電流值計算出定子磁鏈與轉矩值,根據PMSG模型對k+1時刻的磁鏈與轉矩值進行預測,進而選出合適的電壓矢量。這樣在k+1時刻,施加的電壓矢量為v(k+1),當k+2時刻到來時,使得k+2時刻的磁鏈與轉矩值剛好達到給定,以解決由于時間延遲帶來的轉矩與磁鏈紋波較大等問題。
2.3 預測算法
   
為改善由于時間延遲導致PMSG運行性能下降的問題,需在DTC中加入對轉矩和磁鏈的預測。由式(1)可得定子磁鏈的預測表達式為:
   
    若能推導出isα(k+1)與isβ(k+1),根據式(2)便可得到k+1時刻的轉矩值,但由于所研究的PMSG為凸極電機,難以在α,β軸下求解電流值,鑒于此可在d,q旋轉坐標系下對電流進行預測。
    PMSG在d,q旋轉坐標系下的電壓方程為:
   
    根據式(5)可預測k+1時刻的電流值,然后對其進行反Park變換(變換時需要轉子位置信息θ,θ值由無位置傳感器獲得),即可得到α,β軸
下電流的預測值,結合式(2),(3)即可計算出k+1時刻的轉矩預測值:
    Te(k+1)=3np[ψsα(k+1)isβ(k+1)-ψsβ(k+1)isα(k+1)]/2       (6)
    圖2示出基于SVM的PMSG系統(tǒng)預測DTC框圖,虛線框中為使用無位置傳感器技術獲得的轉子位置與轉速信息,預測算法模塊使用式(3)~式(6)獲得k+1時刻的轉矩與磁鏈值,其他部分與常規(guī)SVM-DTC類似,通過SVPWM實現對機側變流器的控制。



3 實驗驗證
   
為驗證基于SVM技術的PMSG預測DTC策略,搭建了一套5.5kW PMSG控制系統(tǒng),如圖3所示。風力機模擬平臺參數:感應電機功率7.5kW;電機極對數2;齒輪箱變比17:1。PMSG參數:額定功率5.5 kW;額定線電壓230 V;額定電流19.5 A;額定轉速80 r·min-1;極對數8;d軸電感77.56 mH;q軸電感107.4 mH;定子電阻1.1 Ω;直流母線電壓260 V;額定轉矩656 N·m。使用通用變流器控制的7.5 kW感應電動機作為風力機模擬平臺,通過齒輪箱降速與額定功率為5.5 kW PMSG相連。PMSG由機側變流器實現發(fā)電控制,由于在實際風力發(fā)電系統(tǒng)中直流母線電壓通常由網側變流器來提供,并維持恒定,在此通過直流電源作為直流母線供電電源,并在直流母線上并聯電阻Rdc作為系統(tǒng)負載,用來消耗PMSG發(fā)出的電能。


    圖4a,b為PMSG在傳統(tǒng)DTC和預測DTC下的穩(wěn)態(tài)轉矩與電流波形,其中轉速為40 r·min-1,轉矩給定為-350 N·m,電流有效值為7.4 A,此時PMSG輸出功率為1.5 kW??梢姡瑐鹘y(tǒng)DTC下,實際轉矩在給定轉矩值上下波動,紋波水平約為8%,電流THD值為7.29%;預測DTC下,轉矩紋波明顯減小,約為給定值的4%,電流THD值為5.9%,相比于傳統(tǒng)DTC有所改善。


    圖4c,d示出PMSG在傳統(tǒng)DTC與預測DTC下的動態(tài)響應波形,轉矩均從-350 N·m階躍至-150 N·m,同時電流值也相應地減小,預測DTC和傳統(tǒng)DTC下響應時間分別為6.3 ms和6.5 ms,可見所提出的預測DTC策略保留了傳統(tǒng)SVM-DTC優(yōu)良的動態(tài)特性。

4 結論
   
由于DTC策略在每個采樣周期內均需進行數據處理,導致相應的采樣與控制時間延遲,增大了轉矩與磁鏈的控制誤差。為此提出一種基于空間矢量調制技術的PMSG預測DTC策略,該方案通過對轉矩和磁鏈的預測,可有效彌補時間延遲對系統(tǒng)性能的影響。實驗結果表明,該預測算法可有效減小轉矩紋波,同時也保留了傳統(tǒng)空間矢量調制DTC優(yōu)良的動態(tài)特性,提高了系統(tǒng)性能。

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