永磁同步发电机与Boost斩波型变换器.DOC

1、2017 年 中 国 电 工 技 术 学 会 学 术 年 会2017 CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY ACADEMIC ANNUAL CONFERENCE永 磁 同 步 发 电 机 与 Boost 斩 波 型 变 换 器非 线 性 速 度 控 制XXX1 XXX1, 2（ 1. 天 津 工 业 大 学 电 工 电 能 新 技 术 天 津 市 重 点 实 验 室 天 津 3003872. 天 津 大 学 电 气 与 自 动 化 工 程 学 院 天 津 300072）摘 要 直 驱 式 永 磁 同 步 风 电 系 统 电 机 侧 变 换 器 的 一 种 常 见 拓 扑

2、 结 构 为 二 极 管 整 流 桥 后 接Boost 斩 波 电 路 。 此 结 构 具 有 较 强 的 非 线 性 ， 采 用 普 通 PI 控 制 器 很 难 使 系 统 在 正 常 运 行 范 围 内保 持 较 好 的 动 态 性 能 。关 键 词 ： 表 贴 式 永 磁 同 步 发 电 机 Boost 斩 波 电 路 输 入 - 输 出 反 馈 线 性 化 最 优 控 制 理 论中 图 分 类 号 ： TM?Nonlinear Speed Control for a Permanent Magnet Synchronous Generator and the Boost-Choppe

3、r ConverterGeng Qiang1 Xia Changliang1, 2（ 1.Tianjin Key Laboratory of Advanced Technology of Electrical Engineering and EnergyTianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China2. School of Electrical Engineering and Automation Tianjin University Tianjin 300072 China）Abstract A diode bridge rectifi

4、er followed by a boost chopper circuit is a common topology of the generator side converter for a direct driven permanent magnet synchronous generator (PMSG)-based wind energy conversion system(WECS). Owing to its strong nonlinearity, it is difficult for the system to maintain good dynamic performan

5、ce within a normal operating range under the ordinary proportional-integral(PI) controller. Keywords： Surface permanent magnet synchronous generator (SPMSG), Boost chopper circuit, input-output feedback linearization (IOFL), optimal control theory0 引 言近 年 来 随 着 风 力 发 电 技 术 的 快 速 发 展 ， 风 能 在能 源 中 所 占

6、 的 比 重 也 迅 速 上 升 。 1996 年 2006 年的 十 年 间 ， 全 球 风 电 装 机 容 量 年 平 均 增 速 为28.6%， 截 止 到 2007 年 末 ， 全 球 风 电 装 机 总 容 量 已接 近94 000MW1。 直 驱 式 永 磁 风 力 发 电 系 统 具 有 噪 声 小 、可 靠 性 高 和 维 护 成 本 低 等 优 点 2。直 驱 式 永 磁 风 力 发 电 系 统 中 一 种 常 见 的 拓 扑 结构 如 图 1 所 示 3， 其 电 机 侧 变 换 器 由 二 极 管 整 流 桥和 Boost 斩 波 电 路 组 成 ， 为 叙 述 方 便

7、， 文 中 将 此 结构 称 为 Boost 斩 波 型 变 换 器 。图 1 Boost 斩 波 型 直 驱 式 永 磁 风 电 系 统 拓 扑 结 构 图Fig.1 Topology of the direct driven PMSG-based windenergy conversion system with boost-chopper converter图 1 中 ， uA、 uB、 uC 分 别 为 发 电 机 定 子 端 电 压 ；国 家 自 然 科 学 基 金 重 点 资 助 项 目 （ 51037004） ， 国 家 自 然 科 学 基 金 （ 51077097） 和 天 津

8、 市 科 技 支 撑 计 划 重 点 资 助 项 目（ 10ZCKFGX02800） 。收 稿 日 期 20xx-xx-xx 改 稿 日 期 20xx-xx-xx中 文 标 题 小 一 号 黑 体 ，居 中 ， 段 前 1 行 ， 段 后0.8 行 ， 单 倍 行 距作 者 姓 名 1. 作 者 姓名 2. 字 体 采 用 楷 体_GB2312 四 号 居 中 ，空 格 分 隔 ， 单 倍 行 距字 体 采 用 仿 宋 _GB2312 10 号 ， 单 倍行 距 ， 首 行 缩 进 2 字 符 ， 两 端 对 齐 ，左 右 缩 进 2 字 符 。 中 文 摘 要 为 独 立 于正 文 的 文

9、字 ， 应 包 括 目 的 、 方 法 、 主要 结 果 、 主 要 结 论 等 内 容 ， 且 用 是 第三 人 称 写 法 。 摘 要 篇 幅 为 300 字 左 右 。1. 作 者 工 作 单 位 （ 高 校 要 到院 系 一 级 ， 包 括 所 在 城 市 和 邮编 2. 字 体 采 用 10 号 仿 宋_GB2312 空 格 分 隔 ， 单 倍 行 距中 文 关 键 词 （ 48 个 ） 字 体 采 用 仿 宋 _GB2312 10号 ， 单 倍 行 距 空 格 分 隔 ， 首 行 缩 进 2 字 符 ， 左 右缩 进 2 字 符四 号 Times New Roman 加粗 字 体

10、， 居 中 排 ， 单 倍 行距 10 号 Times New Roman字 体 ， 斜 体 ， 居 中 排 ， 单倍 行 距10 号 Times New Ro an字 体 ， 居 中 排标 题 3 黑 体 小 四 ， 左对 齐 ， 段 前 8pt， 段 后8pt， 单 倍 行6 号 宋 体 ， 左 对 齐 ， 行 距 13 磅正 文 用 双 栏 排 版 ， 栏 宽 相 等 ， 宽 度 为 22 字符 ， 间 距 147 字 符 ， 采 用 宋 体 10pt， 英 文 用10pt， Times New Roman 字 体 ， 两 端 对 齐 ，首 行 缩 进 2 字 符 ， 单 倍 行 距 。

11、图 中 中 文 字 体 采 用 6 号 华 文 中 宋 ，英 文 用 Times New Roman 字 体中 图 分 类 号 自 查 ， 如 果 是交 叉 领 域 可 以 写 两 个 ,并 用分 号 间 隔2017 年 中 国 电 工 技 术 学 会 学 术 年 会uo 为 二 极 管 整 流 桥 输 出 电 压 ； iL 为 电 感 电 流 ； udc为 直 流 侧 电 压 ； L 为 Boost 电 路 升 压 电 感 ； S1 为Boost 电 路 功 率 器 件 ； C 为 直 流 侧 电 容 。与 三 相 桥 式 全 控 变 换 器 相 比 ， Boost 斩 波 型 变换 器 成

12、 本 较 低 ， 结 构 较 为 简 单 ， 系 统 可 靠 性 较 高 ，并 能 在 一 定 风 速 范 围 内 实 现 最 大 风 能 捕 获 ， 很 多 学者 已 经 对 此 类 变 换 器 进 行 了 研 究 4-6。永 磁 同 步 发 电 机 、 二 极 管 整 流 桥 和 Boost 斩 波电 路 均 具 有 较 强 的 非 线 性 ， 目 前 的 控 制 策 略 多 为 普通 的 比 例 积 分 （ Proportional-Integral， PI） 控 制 4-7。普 通 PI 控 制 器 具 有 设 计 简 单 和 适 用 性 好 等 特 点 ， 但其 是 基 于 目 标

13、误 差 的 控 制 器 ， 仅 考 虑 了 系 统 在 某 一运 行 状 态 附 近 的 稳 态 模 型 ， 忽 略 了 其 瞬 态 特 性 ， 因而 具 有 动 态 响 应 较 慢 的 缺 点 ； 且 非 线 性 系 统 的 PI参 数 难 于 整 定 ， 很 多 参 数 通 过 经 验 和 试 算 得 到 ， 这给 实 际 应 用 带 来 了 一 定 难 度 。反 馈 线 性 化 是 一 种 较 为 常 见 的 非 线 性 控 制 方 法 ，其 核 心 思 想 是 通 过 状 态 反 馈 和 非 线 性 变 换 将 非 线 性系 统 代 数 地 转 换 为 全 部 或 部 分 的 线 性

14、系 统 ， 从 而 可以 应 用 比 较 成 熟 的 线 性 系 统 控 制 方 法 。 由 于 在 转 换过 程 中 并 没 有 采 用 线 性 逼 近 的 方 法 ， 即 没 有 忽 略 高阶 非 线 性 项 ， 因 此 该 方 法 精 确 度 较 高 。 反 馈 线 性 化已 广 泛 应 用 于 电 力 电 子 8-11、 电 机 控 制 12-14和 分 布式 发 电 15等 多 个 领 域 。在 现 有 的 基 础 上 ， 以 表 贴 式 永 磁 同 步 发 电 机（Surface Permanent Magnet Synchronous Generator， SPMSG） 为 研

15、究 对 象 ， 首 先 根 据 二 极 管整 流 桥 的 换 相 点 ， 将 发 电 机 每 个 电 气 周 期 分 为 6 个区 间 ， 在 每 个 区 间 内 对 发 电 机 和 Boost 斩 波 电 路 进行 整 体 非 线 性 建 模 ； 然 后 分 区 间 利 用 输 入 -输 出 反馈 线 性 化 方 法 将 非 线 性 系 统 转 换 为 线 性 系 统 ； 最 后根 据 线 性 最 优 控 制 原 理 对 变 换 后 的 线 性 系 统 设 计 转速 控 制 器 ， 使 系 统 具 有 良 好 的 动 态 和 稳 态 性 能 。1 系 统 数 学 模 型1.1 SPMSG 数

16、 学 模 型SPMSG 等 效 电 路 及 空 间 矢 量 图 如 图 2 所 示 ，图 中 ， eA、 eB、 eC 分 别 为 发 电 机 定 子 相 反 电 动 势 ；iA、 iB、 iC 分 别 为 发 电 机 定 子 相 电 流 ； Ls 为 发 电 机定 子 等 效 相 电 感 ； Rs 为 发 电 机 定 子 等 效 相 电 阻 ；PM 为 发 电 机 转 子 磁 链 ； e 和 e 分 别 为 发 电 机 转 子电 气 角 速 度 和 电 气 角 位 置 ； A、 B、 C 为 三 相 静 止坐 标 系 ， 其 方 向 为 发 电 机 定 子 绕 组 空 间 轴 线 方 向 ；

17、d、 q 为 空 间 旋 转 坐 标 系 ， 以 角 速 度 e 逆 时 针 旋 转 ；PM 与 d 轴 重 合 。（ a） SPMSG 等 效 电 路 （ b） 空 间 矢 量 图图 2 SPMSG 等 效 电 路 和 空 间 矢 量 图Fig.2 The equivalent circuit and space vector diagram of SPMSG在 发 电 机 每 个 电 气 周 期 内 ， 二 极 管 整 流 桥 具 有6 个 换 相 点 。 忽 略 换 相 续 流 过 程 ， 将 A 相 和 B 相同 时 导 通 且 电 流 由 A 相 流 向 B 相 的 区 间 称 为

18、AB区 间 ， 则 每 个 电 气 周 期 可 依 次 分 为AB、 AC、 BC、 BA、 CA 和 CB 共 6 个 区 间 ， 每 个区 间 内 的 电 压 及 电 流 关 系 见 表 1。表 1 不 同 区 间 内 电 压 电 流 关 系Tab.1 The relationship between voltages and currents in different intervals区 间 u0 iA iB iCAB uAuB iL iL 0AC uAuC iL 0 iLBC uBuC 0 iL iLBA uBuA iL iL 0CA uCuA iL 0 iLCB uCuB 0 iL

19、 iL以 AB 区 间 为 例 ， 由 式 （ 1） 、 式 （ 4） 和 表 1整 理 可 得 PMes es3in2d32LLRiit L（ 5）dcdcssu由 式 （ 2） 、 式 （ 3） 和 表 1 整 理 可 得nPMee emid3nLppFiTtJJ（ 6）1.1.1 单 区 间 仿 射 非 线 性 系 统 标 准 型实 际 系 统 中 ， 系 统 采 样 频 率 为 发 电 机 电 气 频 率100 倍 以 上 ， 因 此 可 将 发 电 机 电 气 角 位 置 看 作 缓 慢变 化 的 常 量 。 以 AB 区 间 为 例 ， 将 发 电 机 电 气 角 速度 和 电 感

20、 电 流 看 作 状 态 变 量 ， 以 占 空 比 为 输 入 变 量 ，以 发 电 机 电 气 角 速 度 为 输 出 变 量 ， 作 如 下 变 量 替 换表 头 用 小 五 号 黑 体 ， 英 文 和 数 字 用 小 五 号Times New Roman 加 粗 字 体 ， 居 中 排表 文 中 文 用 六 号 宋 体 ， 英 文 用 6 号Times New Roman 字 体 。二 级 标 题 采 用 10 号 黑 体 ， 英 文和 数 字 用 Times New Roman 加粗 字 体 ， 左 对 齐 ， 单 倍 行 距图 标 题 小 五 号 宋 体 ， 居 中排 ， 单 倍

21、行 距公 式 用 10pt（ Times New Roman） 字体 ， 上 、 下 标 用 7pt， 次 上 、 下 标 用6pt， 符 号 用 17pt， 次 符 号 用 11pt，右 对 齐 。公 式 中 序 号 的 括号 用 全 角 ， 右 对齐三 级 标 题 序 号 采 用 Times New Roman 加 粗 字 体 ， 10 号 宋 体 ， 左对 齐 ， 单 倍 行 距2017 年 中 国 电 工 技 术 学 会 学 术 年 会（ 7）12eLxiud4 结 论针 对 由 表 贴 式 永 磁 同 步 发 电 机 、 二 极 管 整 流 桥和 Boost 斩 波 电 路 组 成

22、的 强 非 线 性 系 统 ， 分 区 间 建立 了 整 体 非 线 性 数 学 模 型 ， 并 在 单 区 间 内 采 用 输 入-输 出 反 馈 线 性 化 方 法 将 非 线 性 系 统 转 换 为 线 性 系 统 ，在 此 基 础 上 设 计 了 转 速 线 性 最 优 控 制 器 。 该 设 计 方法 的 数 学 转 换 过 程 较 为 简 单 ， 虽 然 涉 及 较 多 参 数 ，但 大 部 分 参 数 可 以 预 先 计 算 ； 线 性 最 优 控 制 器 的 设计 理 论 较 为 成 熟 ， 系 统 参 数 整 定 方 法 较 为 简 单 ， 且不 同 区 间 内 控 制 器

23、的 参 数 相 同 。论 点 ： 在 有 公 共 支 路 的 两 磁 路 中 ， 既 有 两 磁 通同 向 支 路 ， 也 有 两 磁 通 反 向 支 路 。证 明 ： 设 因 两 磁 路 的 方 向 已 经 确 定 ， I、 II 两磁 路 的 方 向 在 公 共 支 路 a-c-b 上 相 同 ， 则 I、 II 两磁 路 方 向 在 公 共 支 路 a-d-b 上 必 然 相 反 。验 证 ： 按 两 闭 合 磁 路 磁 通 方 向 的 各 种 可 能 性 ，得 到 有 公 共 支 路 两 磁 通 方 向 的 异 同 关 系 。附 录 仿 真 系 统 参 数（1）本文研究了 TSMC-S

24、/G 系统起动时 TSMC 的调制策略，针对系统的拓扑特点，给出了两种可行的同步电机三相六拍式工作方式与 TSMC 调制策略相结合的控制策略，并分析了两种调制策略各自的特点；（2）推导了直流母线电流与开关状态的数学关系，为今后研究各种调制方式对起动过程的影响奠定了基础。（ 3） 利 用 占 空 比 作 为 系 统 闭 环 调 节 的 中 间 变 量 及 时调 整 TSMC 的 输 出 ， 达 到 输 出 方 波 电 流 、 使 电 机 快 速 起动 至 给 定 转 速 的 目 的 ； 实 验 验 证 了 本 文 所 提 的 控 制 策 略 的正 确 性 ， 为 TSMC-S/G 系 统 的 进

25、 一 步 研 究 与 实 践 奠 定 了基 础 。参 考 文 献1 Xia Changliang, Song Zhanfeng. Wind energy in China: current scenario and future perspectivesJ. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(8): 1966-1974. 2 Zhang S, Tseng King Jet, Vilathgamuwa D M, et al. Design of a robust grid interface system for PMSG-ba

26、sed wind turbine generatorsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, 58(1): 316-328. 3 胡 书 举 , 李 建 林 , 许 洪 华 . 永 磁 直 驱 风 电 系 统 变 流器 拓 扑 分 析 J. 电 力 自 动 化 设 备 , 2008, 28(4): 77-81. Hu Shuju, Li Jianlin, Xu Honghua. Analysis of converter configuration for direct-drive wind power system with

27、 PMSGJ. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(4): 77-81. 作 者 简 介 男 ， 19*年 生 ， 博 士 ， 讲 师 ， 研 究 方 向 为 风 力 发 电 机 系 统及 其 控 制 。E-mail： * 男 ， 19*年 生 ， 教 授 ， 博 士 生 导 师 ， 研 究 方 向 为 电 机 系 统及 其 控 制 。E-mail： *（ 通 信 作 者 ）版 心 :17.2*24.6cm参 考 文 献 小 五 号 字 ， 左 对 齐应 选 择 最 近 5 年 的 论 文 且 按 文 中 出 现 的 先 后 次 序 排

28、列 ， 在 引 用 文 句后 的 右 上 角 标 明 参 考 文 献 序 号 ， 参 考 文 献 10 篇 以 上 。书 类 ： 序 号 作 者 .书 名 .版 次 .出 版 地 ： 出 版 者 ， 出 版 年 .期 刊 类 ： 序 号 作 者 .论 文 题 目 .期 刊 名 .出 版 年 ， 卷 （ 期 ） ： 起 止 页作 者 姓 名 字 体 采 用 6 号 楷 体 _GB2312， 性 别 ，出 生 年 ， 学 历 ， 职 务 ， 研 究 方 向 等 ， 中 文 字 体采 用 6 号 宋 体 ， 英 文 用 6 号 Times New Roman 字 体 。附 录 采 用 小 4 号 黑 体 ， 居 中 排内 容 用 小 五 号 宋 体论 点 用 黑 体 ， 内 容 用 宋 体证 明 用 黑 体 ， 内 容 用 宋 体验 证 用 黑 体 ， 内 容 用 宋 体