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。