宽速度范围永磁交流发电机系统双端口稳压技术的研究

Permanent magnet alternators (PMA) are receiving extensive applications due to their merits. Generally, the output voltage of a PMA is in direct proportion to the speed. Therefore, over a wide speed range (possibly more than 10 times), the alternator output voltage varies significantly, although the load-side voltage can be regulated with a power converter. If the alternator voltage is sufficient at low speed, it will be extreme at high speed, making it difficult to choose proper voltage rating of the power electronic devices and the machine insulation materials. In this project, it is proposed to use a PWM rectifier to realize AC/DC conversion, which not only regulates the load-side DC voltage, but also regulates the alternator AC voltage by feeding a proper d-axis current into the armature windings. The d-axis current weakens the field over the high-speed region and stabilizes the AC voltage, and eventually realizes the dual-terminal voltage regulation and improves the operation speed range. Although the field-weakening control has been widely applied for permanent magnet motors, it is hardly studied for applications for PMA systems. The proposed dual-terminal voltage regulating technique will be studied deeply, for enhancing the capability of field weakening, on the aspects of PM alternator topologies and electromagnetic optimizations, PWM rectifier control strategies, and parameters matching between the alternator and rectifier, etc. Also, fault protections against out-of-control during high-speed field-weakening operation will be studied.

永磁交流发电机具有诸多优点，应用前景广阔。通常，其输出电压正比于转速，因此，在宽速度范围（可达10倍以上）的工况下，虽然可以通过电力电子功率变换装置来稳定用电侧的电压，但电机侧的电压却会大幅变化- - 若在低速区满足了电压大小要求，则在高速区就会出现多倍的高电压，由此造成功率器件和电机绝缘材料的耐压选择困难。本项目提出利用PWM整流器来实现AC/DC变换，一方面稳定用电侧的直流电压，另一方面通过为发电机电枢绕组馈入合适的直轴电流，在高速区进行弱磁控制，从而稳定电机侧的交流电压，由此实现双端口稳压，并扩展发电机的工作转速范围。尽管弱磁控制技术在永磁交流电动机中已广泛应用，但在永磁交流发电机中的应用研究并不多。本项目将针对提升弱磁能力，从发电机本体的拓扑机构和电磁设计、PWM整流器的控制策略、以及二者的协同工作等方面深入研究这种双端口稳压技术，以及高速弱磁时控制器失控的故障保护技术。

永磁同步发电机具有诸多优点，应用前景广阔。通常，其输出电压正比于转速，因此，在宽速度范围（可达 10 倍以上）的工况下，虽然可以通过电力电子功率变换装置来稳定用电侧的电压，但电机侧的电压却会大幅变化，若在低速区满足了电压大小要求，则在高速区就会出现多倍的高电压，由此造成功率器件和电机绝缘材料的耐压选择困难。.本项目提出利用 PWM 整流器来实现 AC/DC变换，一方面稳定用电侧的直流电压，另一方面通过为发电机电枢绕组馈入合适的直轴电流，在高速区进行弱磁控制，从而稳定电机侧的交流电压，由此实现双端口稳压，并扩展发电机的工作转速范围。尽管弱磁控制技术在永磁同步电动机中已广泛应用，但在永磁同步发电机中的应用研究并不多。.针对原定的研究内容，本项目取得的如下五大方面的重要结果：1) 提出了宽转速范围永磁同步发电机的设计原则，即对变速PMSG系统需要设计较大的电机电感，既可减小其短路电流，又可增强电机电流的调磁能力；2) 建立了发电系统的模型和分析了发电机参数及控制策略对稳压控制的影响，此外，引入了有源阻尼控制策略，大大加快了直流母线电压的响应速度；3) 提出了一种新型的稳压控制策略，即直接电压控制策略，相比于矢量控制，具有较好的动态性能，且无需电流传感器，增强了系统的可靠性；4) 提出了适合直流侧不同负载条件的PWM整流器控制策略，研究了不同种类负载对变速PMSG系统稳压性能的影响；5) 提出了宽转速范围永磁交流发电机的弱磁工作的基本原则与方法，即低速时采用最大转矩电流比控制，高速或重载时通过一个电压外环实时补偿d轴弱磁电流，这样使得系统能够实时跟随转速和负载变化而自动分配和控制d、q轴电流。.本项目从发电机本体的拓扑结构和电磁设计、PWM 整流器的控制策略、以及二者的协同工作等方面进行了深入研究，为基于PWM整流器的永磁同步发电机双端口稳压技术的理论和工程实用化奠定基础。