基于磁链预测的永磁直驱风力发电机SVM-DTC技术_单立宇.pdf

电子设计工程Electronic Design Engineering第31卷Vol.31第4期No.42023年2月Feb.2023收稿日期：2021-11-18稿件编号：202111130作者简介：单立宇（1997），男，江苏盐城人，硕士研究生。研究方向：电机控制。风能作为一种清洁、可再生的绿色能源，其开发利用对于减少传统化石能源消耗和减轻环境污染有重大意义，因此风力发电正被越来越多的国家所重视1。永磁直驱风力发电机将风力机与永磁同步发电机直接相连，无需齿轮箱，具有损耗低、可靠性高等优势2-3，已成为风力发电的主流机型。直接转矩控制（Direct Torque Control，DTC）技术不需要大量坐基于磁链预测的永磁直驱风力发电机SVM-DTC技术单立宇1，张兰红2，陈小海3（1.江苏大学 电气信息工程学院，江苏 镇江 212013；2.盐城工学院 电气工程学院，江苏 盐城 224051；3.江苏金风科技有限公司，江苏 盐城 224051）摘要：永磁直驱风力发电机传统直接转矩控制（DTC）通过查表法选择固定电压矢量来控制定子磁链和电磁转矩，导致磁链和转矩的双重控制要求不能同时兼顾，造成磁链和转矩脉动过大。针对传统 DTC的不足，研究了一种永磁直驱风力发电机基于定子磁链预测的空间矢量脉宽调制（SVPWM）DTC方法，通过对下一个控制周期磁链矢量的预测计算需要补偿的电压矢量，并引入SVPWM模块代替查表法来合成该电压矢量。仿真和实验结果表明，此方案能明显降低磁链和转矩脉动，改善永磁直驱风力发电系统的控制性能。关键词：永磁直驱风力发电机；直接转矩控制；转矩脉动；SVPWM；磁链预测中图分类号：TM351文献标识码：A文章编号：1674-6236（2023）04-0062-06DOI：10.14022/j.issn1674-6236.2023.04.013SVMDTC technology of permanent magnet direct drive wind turbine based onflux linkage predictionSHAN Liyu1，ZHANG Lanhong2，CHEN Xiaohai3（1.School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China；2.School of Electrical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China；3.Jiangsu Goldwind Technology Co.，Ltd.，Yancheng 224051，China）Abstract:The traditional Direct Torque Control(DTC)of permanent magnet directdrive wind turbinesselects a fixed voltage vector to control the stator flux linkage and electromagnetic torque through the lookup table method，which results in the dual control requirements of the flux linkage and torque cannot betaken into account at the same time，resulting in the flux linkage and torque ripple are too large.Aimingat the shortcomings of traditional DTC，a Space Vector Pulse Width Modulation(SVPWM)DTC methodbased on stator flux linkage prediction for permanent magnet direct drive wind turbines is studied.Thevoltage that needs to be compensated is calculated by predicting the flux linkage vector of the next controlperiod，and introduce the SVPWM module instead of the lookup table method to synthesize the voltagevector.The simulation and experimental results show that this scheme can significantly reduce the fluxlinkage and torque ripple，and improve the control performance of the permanent magnet directdrivewind power generation system.Keywords:permanent magnet direct drive wind turbine；DTC；torque ripple；SVPWM；flux linkageprediction-62标变换，将转矩直接作为被控制量，具有结构简单、响应速度快等优点，已被推广应用到永磁直驱风力发电机的控制系统中4-6。然而，传统DTC技术有着明显不足，一是在开关表控制方式下，只能利用逆变器输出的六个固定非零电压矢量来控制转矩和磁链，无法对定子磁链和转矩进行精确调节；二是采用磁链和转矩滞环控制方式，导致磁链和转矩波动较大7-9。针对传统 DTC 技术的不足，文中研究了一种基于定子磁链预测的永磁直驱风力发电机 SVM-DTC（Direct Torque Control based on Space Vector Mod-ulation）策略，通过预测算法得到下一个控制周期的磁链矢量，进而求得需要补偿的电压矢量，再结合SVPWM（Space Vector Pulse Width Modulation）可以准确合成任意位置的电压矢量，实现对磁链和转矩的精准控制10，从而改进永磁直驱风力发电机的控制性能。1传统DTC技术传统DTC控制是通过滞环控制器和查表法方式选择合适的电压矢量，以实现对磁链和转矩的直接控制11。永磁直驱风力发电机的电磁转矩方程为：Te=3pn2Ls|s|fsin（1）式中，Te为转矩，pn为极对数，Ls为定子自感，|s、|f分别为定、转子磁链幅值，为定、转子磁链的夹角。由于转子磁链的转速取决于原动机转速，在一个控制周期内可认为|f保持不变，则由式（1）可知，若|s为恒定值，那么可以通过改变定、转子磁链夹角来调节电磁转矩12。由于转子磁链的转动速度是恒定的，因此的大小可通过控制定子磁链的旋转来改变。定子磁链方程为：s=(us-isRs)dt（2）式中，s为定子磁链，us为定子电压，Rs为定子电阻，is为定子电流。忽略定子电阻的影响，由式（2）可得：ddts=us（3）由式（3）可知，定子磁链的大小和运动方向都受定子电压矢量的影响，其中所需要的电压矢量由滞环控制器和扇区信号共同决定，通过选择合适的开关电压矢量来控制磁链矢量的幅值在滞环控制器的控制范围内，并沿着特定方向旋转。图 1 所示为传统 DTC 中的定子磁链运行轨迹，空间被电压矢量u1-u6分为六个扇区。以定子磁链s在扇区为例，若要增大定子磁链幅值，可以选择u2或 u6；若要减小定子磁链幅值，则选择 u3或 u5。假设电机逆时针转动，若要使转矩增大，则选择 u2、u3控制定子磁链正向加速；若要使转矩减小，则选择u5、u6控制定子磁链反向加速，可以类推其余扇区情况。图1传统DTC控制的定子磁链运行轨迹综上分析可知，转矩随定子磁链滞环宽度内脉动，因此需要寻求与 DTC技术相结合的新控制算法来取代滞环控制器。2基于磁链预测SVM-DTC技术2.1基于磁链预测的SVM-DTC控制原理基于磁链预测的 SVM-DTC 系统框图如图 2 所示，该控制方法采用磁链预测模块、参考电压矢量模块和 SVPWM 模块代替了传统 DTC系统中的滞环控制器和开关表13。图2基于磁链预测的SVM-DTC系统框图单立宇，等基于磁链预测的永磁直驱风力发电机SVM-DTC技术-63电子设计工程 2023年第4期当 PMSG（Permanent Magnet Synchronous Gen-erator）的转速无法跟上给定转速时，Te与转矩参考值Te*会有误差，由转矩方程可知，Te与定转子磁链的夹角存在非线性关系，的大小可通过控制定子磁链的旋转来改变，因此转矩误差可通过 PI调节器求得磁链变化角来补偿14；然后在磁链预测模块中求出定子磁链的增量，再输入到参考电压矢量模块，生成两个参考矢量u*s、u*s，送入 SVPWM模块中可发出相应脉冲信号控制变流器通断，进而控制发电机运行。2.2定子磁链预测假设当前采样时刻为 k，则定义当前采样周期内的定子磁链为s(k)，幅值为磁链估算值s；下一个采样周期的定子磁链为s(k+1)，幅值为磁链给定值*s。第 k 个和第 k+1 个周期中磁链矢量关系图如图 3所示。图3磁链矢量关系图图 3 中，为磁链角度，为磁链的相位变化角。k时刻的定子磁链矢量在两相静止坐标系中表示为：s(k)=|scoss(k)=|ssin（4）k+1 时刻磁链角度增加后的定子磁链矢量在两相静止 坐标系上表示为：s(k+1)=|*scos(+)s(k+1)=|*ssin(+)（5）由式（2）可得定子电压的计算公式，由于采样周期Ts很小，微分公式可以转换为：us=s()k+1-s(k)Ts+Rsisus=s()k+1-s(k)Ts+Rsis（6）将式（4）、（5）、（6）代入式（7）即可求出期望的参考电压矢量u*s、u*s：u*s=|*scos()+-|scosTs+Rsisu*s=|*ssin()+-|ssinTs+Rsis（7）综上分析可知，可以通过参考电压矢量补偿随定子磁链角度的变化而改变的定子磁链，已知电磁转矩可通过改变磁链角度来调节，因此采用PI（ProportionalIntegral）调节器对转矩环进行调节，根据转矩差得到定子磁链的相位变化角即可求出下一个周期的磁链。转矩环PI调节器的输入输出关系表示为：=kp+kis(T*e-Te)（8）式中，kp、ki分别为比例、积分系数。转矩环PI调节器的参数对系统性能有重要影响，参数设置不当可能导致较差的转矩响应，影响系统性能。PI参数设置按照先比例、后积分顺序，首先令ki=0，使PI成为纯比例调节，kp从0逐渐增大，直至转矩波形出现振荡，再将此时的 kp减小，直至振荡消失，记录当前 kp值，设定 PI 的比例系数 kp为当前值的 6070%；然后调节ki，先将 ki设定为较大值，逐渐减小 ki，直至转矩波形振荡，再逐渐增大 ki，直至振荡消失，记录当前ki值，设定 PI的积分系数 ki为当前值的 150180%，最终 kp取值0.002，ki取值2.51时，测得系统仿真结果较好。2.3空间矢量的调制SVPWM技术通过控制两个相邻基本电压矢量，依据伏秒平衡法则，合成任意电压矢量 us，代替了传统DTC的查表法15。基本空间电压矢量分布如图 4 所示，基本空间电压矢量由八个电压矢量组成，其中 u1-u6为非零电压矢量，u0、u7为零矢量，平面被u1-u6分成了六个扇区。图4基本空间电压矢量分布图-64SVPWM算法的实现可以分为三个步骤：扇区判断、矢量作用时间计算、矢量切换时间的计算。2.3.1扇区判断定义变量如下：Uref1=usUref2=3us/2-us/2Uref3=-3us/2-us/2（