永磁同步發(fā)電機(jī)的預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制

摘要：針對直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)數(shù)字控制系統(tǒng)采樣與控制時延所造成的電機(jī)轉(zhuǎn)矩與磁鏈紋波增大的問題，提出一種應(yīng)用于永磁同步發(fā)電機(jī)(PM SG)的預(yù)測DTC策略。通過建立PMSG的數(shù)學(xué)模型，深入分析控制系統(tǒng)的時延機(jī)理，建立了基于電機(jī)模型方程的轉(zhuǎn)矩與磁鏈預(yù)測算法。最后構(gòu)建了PMSG實驗機(jī)組，實驗結(jié)果表明，該預(yù)測策略在保持傳統(tǒng)DTC優(yōu)良動態(tài)性能的基礎(chǔ)上，可有效減小轉(zhuǎn)矩紋波，系統(tǒng)性能得到提升。
關(guān)鍵詞：永磁同步發(fā)電機(jī)；直接轉(zhuǎn)矩控制；時間延遲

1 引言
以風(fēng)力發(fā)電為代表的可再生能源得到廣泛關(guān)注，其中基于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)與PMSG的風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛。由于PMSG風(fēng)電系統(tǒng)具有運行
效率高、調(diào)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(fēng)電領(lǐng)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(jìn)的交流電機(jī)控制策略，應(yīng)用于風(fēng)電領(lǐng)域極具優(yōu)勢。其中基于空間矢量調(diào)制(SVM)的DTC具有開關(guān)頻率恒定、轉(zhuǎn)矩紋波較小等優(yōu)點。為改善傳統(tǒng)DTC較大的轉(zhuǎn)矩與磁鏈紋波，可采用基于開關(guān)表方法的預(yù)測DTC技術(shù)，但其控制算法較復(fù)雜，且無法克服開關(guān)頻率不固定等問題。
為提高PMSG運行性能，在此建立PMSG數(shù)學(xué)模型，在分析控制系統(tǒng)采樣延遲的基礎(chǔ)上，提出一種基于SVM的預(yù)測DTC策略。通過搭建的PMSG實驗機(jī)組，對所提方案進(jìn)行了實驗驗證。

2 PMSG預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制
2．1 PMSG數(shù)學(xué)模型
兩相靜止α，β坐標(biāo)系下PMSG的定子電壓、磁鏈數(shù)學(xué)模型為：

2．2 預(yù)測直接轉(zhuǎn)矩控制策略
傳統(tǒng)DTC算法中，定子磁鏈與電磁轉(zhuǎn)矩是根據(jù)當(dāng)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(jù)DTC策略得到相應(yīng)的目標(biāo)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(zhuǎn)矩與磁鏈達(dá)到給定值，如圖1a所示。但由于采樣及數(shù)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(zhuǎn)矩與磁鏈達(dá)到給定值，如圖1b所示。這使得轉(zhuǎn)矩與磁鏈的響應(yīng)始終滯后一個開關(guān)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(yù)測方法的DTC策略，如圖1c所示。根據(jù)k采樣時刻電壓電流值計算出定子磁鏈與轉(zhuǎn)矩值，根據(jù)PMSG模型對k+1時刻的磁鏈與轉(zhuǎn)矩值進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)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(dāng)k+2時刻到來時，使得k+2時刻的磁鏈與轉(zhuǎn)矩值剛好達(dá)到給定，以解決由于時間延遲帶來的轉(zhuǎn)矩與磁鏈紋波較大等問題。
2．3 預(yù)測算法
為改善由于時間延遲導(dǎo)致PMSG運行性能下降的問題，需在DTC中加入對轉(zhuǎn)矩和磁鏈的預(yù)測。由式(1)可得定子磁鏈的預(yù)測表達(dá)式為：

若能推導(dǎo)出isα(k+1)與isβ(k+1)，根據(jù)式(2)便可得到k+1時刻的轉(zhuǎn)矩值，但由于所研究的PMSG為凸極電機(jī)，難以在α，β軸下求解電流值，鑒于此可在d，q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對電流進(jìn)行預(yù)測。
PMSG在d，q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓方程為：

根據(jù)式(5)可預(yù)測k+1時刻的電流值，然后對其進(jìn)行反Park變換(變換時需要轉(zhuǎn)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(yù)測值，結(jié)合式(2)，(3)即可計算出k+1時刻的轉(zhuǎn)矩預(yù)測值：
Te(k+1)=3np[ψsα(k+1)isβ(k+1)-ψsβ(k+1)isα(k+1)]／2 (6)