六相永磁同步发电机控制技术研究

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1、六相永磁同步发电机控制技术研究第1章绪论1.1课题背景及研究目的和意义伴随着中国经济的高速发展，工业及人民日常生活中的电力消耗也逐渐增加，能源危机和环境危机也逐渐凸显，解决能源问题与经济社会发展之间的矛盾成为我国现阶段经济转型的重大战略问题。发展多种形式的能源进行发电是我国电力发展的当务之急。发电机作为将热能、风能、潮汐能等多种形式的能量转换为电能的核心设备，在实现机电能量转换的过程中起到关键的作用。随着电动车、多电飞机及全电推进舰船的发展，发电机的应用领域已经不局限于传统的火电、核电、水电等领域，更多新领域的应用对发电机提出了新的

2、要求，如在全电推进系统和风力发电的应用中，受输出电压限制，需要发电机具备较低的端电压、较大的功率输出特性；电动车及多电飞机的应用中，需要发电机及其驱动控制系统有非常高的可靠性，一旦出现故障，将会造成人身伤害和巨大的财产损失。针对具体的应用场合，研发出高效、控制灵活、高可靠性的发电机系统是工业及国防科技的必然选择。多相发电机成为针对风能、电动车、潮汐能、多电飞机等应用一种新的解决方案[1-3]。多相发电机通过增加相数，同等级功率下，可以成倍的降低相电流，另外，相数的增加也使控制更为灵活，方便实现故障后的容错控制。以风力发电的应用为例，

3、目前主要以配有部分功率变流器的三相双馈异步式发电机(DoubleFedInductionGenerator，DFIG)和配有全功率变流器的永磁同步发电机(PermanentMagSynchronousGenerator，PMSG)为主。.1.2多相电机及其控制技术研究现状通常将相数大于三相的电机定义为多相电机，而这种按引出端个数的命名方式仅是对多相电机一个笼统的定义，如对于对称的六相电机和双Y相移30度的非对称的六相电机如何加以区分，则不能简单以引出端子个数而定。现在被广泛应用的多相电机定义是根据E.AKlingshirn提出的根据

4、电机绕组的相带角定义电机的相数[25]。电机每对极距内有n个均匀分布的相带，对于每个相带角为360°/n的电机，如果引出的端子数为n，则其相数定义为n相电机，如果引出的端子数为n/2，则定义其半n相电机。这种对多相电机的定义将绕组的编排方式与端子引出个数联系起来，揭示了多相电机定义的本质。多相电机可以设计成与传统三相电机类似的多种类型的电机，如感应电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等。根据目前多相电机的研究热点，对其进行如下的分类：(1)按运行原理分，多相电机可分为多相感应电机[26-27]和多相同步电机[28,29]两种。多

5、相感应电机的转子可以设计成鼠笼式或绕线式，目前见诸文献报道的多为转子鼠笼结构。多相同步电机按照转子的励磁方式不同，可分为多相永磁同步电机、转子电励磁的多相同步电机。(2)按磁通方向分，多相电机可以设计成轴向磁通[30]和径向磁通形式。轴向磁通式的多相电机齿部绕组容易加工制造，但含有较多的低次谐波，低次谐波虽对正弦供电的三相电机会产生影响，但对正弦供电的多相电机可以避免低次谐波的影响。此外，这种电机还有齿绕组无重叠，端部绕组较短的特点。.第2章六相永磁同步发电机系统数学建模及分析2.1引言电机的绕组是实现机电能量转换的关键部件，对多相

6、电机绕组进行深入的分析，有助于了解多相电机的磁动势谐波成分组成、电磁转矩特性，同时也能够根据电机绕组表现出的特性提出适宜的控制方法。多相感应电机与多相永磁同步电机的定子结构可以是相同的，其区别在于转子的励磁方式不同，多相感应电机的转子可以是鼠笼式，也可以是类似双馈式的绕组励磁结构，针对不同的转子绕组形式，感应电机的定子和转子的磁动势谐波具有相似性。永磁同步电机的转子可以等效为恒定的直流励磁源提供独立的励磁磁动势，所以转子的磁动势分析相比定子要简单。本章主要对双Y接相移30°的六相永磁同步电机的定子绕组磁动势进行分析，并得到各

7、次谐波磁动势的分布规律。为了实现对电机有效、准确的控制，需要对电机建立准确的数学模型，并通过测量或者电磁计算的方法得到电机的参数，对于六相PMSG各相绕组强耦合的关系，谐波成分复杂的情况，本章通过对六相PMSG发电系统进行数学建模，并对其进行扩展的Clark和Park变换，得到空间解耦的数学模型。通过有限元的方法对电机的磁密和反电动势中的谐波进行了分析，对电感参数进行了计算。..2.2六相PMSG的磁动势分析电机运转时圆形的旋转磁场是由定子绕组磁动势和转子磁动势共同作用形成，两个磁场相互作用产生电磁转矩，实现机电能量转换的过程。然而

8、，受绕组空间排布、电流波形多样化的影响，造成气隙磁动势的实际分布情况非常复杂，对磁动势的研究有助于对电机的运行特征进一步了解，对改善电机性能也能提供理论依据。对磁动势的分析有助于了解电磁转矩和谐波分量的产生机理，根据前文所述两套绕组相