邊浩然，資新運(yùn)，曾繁琦，陳冠宇，張衛(wèi)鋒

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

基于SVPWM的變速發(fā)電恒頻/恒壓輸出控制仿真

邊浩然1，資新運(yùn)2，曾繁琦1，陳冠宇1，張衛(wèi)鋒2

(1.軍事交通學(xué)院 研究生管理大隊(duì)，天津 300161； 2.軍事交通學(xué)院 軍用車輛系，天津 300161)

基于集成起動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)(integrated starter generator, ISG)的軍用混合動(dòng)力車輛能利用ISG電機(jī)實(shí)現(xiàn)行車和駐車發(fā)電，但行車車速變化導(dǎo)致ISG轉(zhuǎn)速變化，系統(tǒng)輸出的三相交流電力電壓、頻率以及整流后的直流電壓變化，不能直接供負(fù)載使用。因此，提出基于兩電平三相電壓源逆變器的空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation, SVPWM)控制方法，可根據(jù)直流側(cè)電壓變化調(diào)整控制器PWM輸出，使逆變器恒頻、恒壓輸出三相對(duì)稱交流電力。在介紹發(fā)電系統(tǒng)工作原理基礎(chǔ)上，分析SVPWM控制原理，在Simulink中搭建發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。仿真結(jié)果表明，當(dāng)直流側(cè)電壓變化時(shí)，逆變器實(shí)現(xiàn)了恒頻恒壓輸出，證明控制方法的可行性。

空間矢量脈寬調(diào)制;集成啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī);變速發(fā)電；恒頻/恒壓；Simulink

基于集成啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī) ISG 的混合動(dòng)力車輛憑借怠速起停、制動(dòng)能量回收優(yōu)化了排放、降低了油耗。軍用混合動(dòng)力車輛在此基礎(chǔ)上拓展了其作為小型移動(dòng)電站的功用，ISG輸出的電能除供車載電子設(shè)備使用外，還可為指揮通信等設(shè)備供電，提升軍隊(duì)移動(dòng)條件下的電力保障能力。

ISG發(fā)電包括行車與駐車發(fā)電，行車發(fā)電時(shí)的車速變化會(huì)導(dǎo)致電機(jī)輸出電壓、頻率發(fā)生變化，不能直接連接負(fù)載。常用解決方法包括發(fā)電機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種解決思路。機(jī)內(nèi)方法如使用混合勵(lì)磁發(fā)電機(jī)或雙饋異步發(fā)電系統(tǒng)[1-2]，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，改變機(jī)內(nèi)勵(lì)磁磁場(chǎng)，進(jìn)而控制輸出恒頻恒壓電力。機(jī)外方法包括液壓恒速控制和電力電子變流技術(shù)，液壓變速發(fā)電系統(tǒng)利用液壓傳動(dòng)的無極調(diào)速特性，實(shí)現(xiàn)變速輸入、定速輸出，適用于原車上裝有液壓系統(tǒng)的裝備[3-4]；電力電子變流技術(shù)則通過將電機(jī)輸出電力經(jīng)整流、逆變實(shí)現(xiàn)“交—直—交”變換，輸出恒頻恒壓電力，相較于液壓系統(tǒng)具有效率高、輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

本方案選擇利用電力電子變流技術(shù)實(shí)現(xiàn)變速恒頻恒壓發(fā)電。朱詩順等[5]針對(duì)軸帶發(fā)電系統(tǒng)恒頻恒壓輸出做了試驗(yàn)分析，但對(duì)整流逆變工作原理未做分析。趙彩虹[6]提出基于永磁同步電機(jī)的車載軸帶發(fā)電系統(tǒng)的弱磁控制方法，使發(fā)電機(jī)可運(yùn)行于更高車速。

本文提出基于永磁同步電機(jī)的直驅(qū)式發(fā)電系統(tǒng)方案，介紹發(fā)電系統(tǒng)組成及原理，重點(diǎn)分析基于SVPWM的逆變理論，該方法可根據(jù)直流側(cè)電壓變化調(diào)整PWM輸出，進(jìn)而控制逆變器輸出的三相交流電恒頻、恒壓輸出。并通過Simulink仿真驗(yàn)證相關(guān)理論正確性，為控制器的開發(fā)提供依據(jù)。

1 發(fā)電系統(tǒng)控制方案

系統(tǒng)采取發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)電機(jī)為內(nèi)轉(zhuǎn)子面貼式永磁同步發(fā)電機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與ISG轉(zhuǎn)子軸剛性連接，整流器采用不可控二極管橋式整流以降低成本。逆變器為兩電平三相電壓源逆變器。發(fā)電機(jī)系統(tǒng)控制分為發(fā)動(dòng)機(jī)控制和發(fā)電機(jī)控制兩部分：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制由電子控制單元完成，發(fā)電機(jī)控制由開發(fā)的電機(jī)控制器完成。行車時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)ISG發(fā)電，由于轉(zhuǎn)速變化，導(dǎo)致橋式整流電路輸出的直流電壓變化，逆變器實(shí)時(shí)測(cè)量直流電壓，并根據(jù)直流電壓調(diào)整PWM輸出，控制交流側(cè)輸出始終為220 V/50 Hz的三相交流電力。

2 SVPWM控制原理

SVPWM是空間矢量脈寬調(diào)制控制方法，原理在于將三相靜止坐標(biāo)下的標(biāo)量控制轉(zhuǎn)換為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的矢量控制，具有直流電壓利用率高、抑制諧波的優(yōu)點(diǎn)。

2.1 空間電壓旋轉(zhuǎn)矢量

三相電壓標(biāo)量到旋轉(zhuǎn)電壓矢量轉(zhuǎn)換如圖1所示。其中：uA、uB、uC分別為A、B、C相電壓值；Um為相電壓峰值；us為合成電壓。

圖1 三相電壓標(biāo)量到旋轉(zhuǎn)電壓矢量轉(zhuǎn)換

對(duì)于三相對(duì)稱交流電力，有：

(1)

考慮三相電壓空間分布互差120°電角度，令復(fù)平面實(shí)軸與A軸重合，將三相電壓轉(zhuǎn)換到復(fù)平面，則有：

uS(t)=uA(t)ej0°+uB(t)ej120°+uC(t)e-j120°

(2)

將式(1)帶入式(2)，得

(3)

由式(3)可知，三相對(duì)稱電壓合成電壓為幅值不變，在空間以角速度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)矢量[7]。

根據(jù)電壓合成原理的可逆性可知，若控制合成電壓矢量uS為幅值固定，且在空間以定速旋轉(zhuǎn)，則可得到三相對(duì)稱正弦電壓。

2.2 兩電平三相逆變器SVPWM控制

兩電平三相電壓源逆變器如圖2所示。逆變器通過3對(duì)功率開關(guān)控制三相輸出電路的導(dǎo)通與關(guān)斷。

圖2 兩電平三相電壓源逆變器示意

(4)

令A(yù)相與復(fù)平面實(shí)軸重合，將式(4)帶入式(2)得

Uout1=Udcej0°

同理可以求得其他7種導(dǎo)通形式下的合電壓矢量Uout(如圖3所示)。

圖3 逆變器輸出電壓矢量

(5)

其中U0(000)、U7(111)為零矢量。

復(fù)平面360°被分為如圖3所示的6個(gè)扇區(qū)，根據(jù)伏秒平衡原理(或平均值等效原理)，合電壓矢量在任一扇區(qū)時(shí)，可由組成該扇區(qū)的兩個(gè)非零電壓矢量以及兩個(gè)零矢量通過分配導(dǎo)通時(shí)間組合而成。伏秒平衡原理(以Ⅰ扇區(qū)為例)如圖4所示。

圖4 伏秒平衡原理(以Ⅰ扇區(qū)為例)

當(dāng)合電壓矢量在第1扇區(qū)時(shí)，根據(jù)伏秒平衡原理有：

(6)

式中：Ts為導(dǎo)通周期；T0、Ta、Tb、T7分別為電壓矢量U0、U4、U6、U7的導(dǎo)通時(shí)間。

考慮Ts很小，認(rèn)為在此時(shí)間段Uout不變，則式(6)可寫為

Ts|Uout|=T0|U0|+Ta|U4|+Tb|U6|+

T7|U7|=Ta|U4|+Tb|U6|

(7)

根據(jù)電壓矢量合成的幾何關(guān)系，有：

(8)

由式(5)可知：

|U4|=|U6|=|Udc|

(9)

聯(lián)立式(7)、(8)、(9)，解出：

(10)

同理，當(dāng)合成電壓矢量Uout在第i扇區(qū)，只需令

(11)

并將θ′代入式(10)，便可求出相鄰非零電壓矢量的作用時(shí)間。

2.3ABC坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系變換

由以上分析可知，SVPWM控制步驟包括：①求解所需合電壓矢量Uout；②判斷和電壓矢量所在扇區(qū)；③求解分電壓矢量作用時(shí)間。過程中用到ABC坐標(biāo)系到復(fù)平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換(即αβ坐標(biāo)系，α為坐標(biāo)系實(shí)軸)，以下介紹坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理。

2.3.1 坐標(biāo)投影

ABC坐標(biāo)系為三相靜止坐標(biāo)系，三相空間互差120°電角度，αβ坐標(biāo)系為空間靜止復(fù)平面坐標(biāo)系，令其實(shí)軸α與A相重合，虛軸β超前實(shí)軸90°電角度，則兩坐標(biāo)系坐標(biāo)幾何關(guān)系如圖5所示。

圖5 ABC坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

uA、uB、uC分別為ABC三相電壓，通常為三相對(duì)稱，即相位互差120°。根據(jù)投影法則，將三相電壓投影到復(fù)平面得

(12)

則合電壓矢量為

uS=uα+juβ

(13)

2.3.2 轉(zhuǎn)換系數(shù)

在ABC坐標(biāo)系向αβ坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，通常在轉(zhuǎn)換矩陣前乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)k，即

(14)

轉(zhuǎn)換系數(shù)k為任意值[8]，原因如下。

根據(jù)2.2分析，SVPWM控制關(guān)鍵在于合成電壓矢量扇區(qū)判斷和求解電壓狀態(tài)作用時(shí)間，扇區(qū)判斷依據(jù)

(15)

由式(15)可看出，扇區(qū)判斷與轉(zhuǎn)換系數(shù)k無關(guān)。

將圖5中各參數(shù)轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系，有：

(16)

(17)

分電壓作用時(shí)間

(18)

由式(18)可知，電壓分量作用時(shí)間與轉(zhuǎn)換系數(shù)亦無關(guān)。

3 Simulink仿真模型

Simulink是Matlab應(yīng)用下的一個(gè)仿真軟件包，可用于控制器開發(fā)、電力系統(tǒng)仿真等。其內(nèi)部提供如電壓/電流源、逆變器等模塊，用戶可在此基礎(chǔ)上開發(fā)控制系統(tǒng)、驗(yàn)證控制方法。

3.1 模型搭建

恒頻、恒壓輸出控制系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，主要包括：

①可控直流電壓源：用于模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)經(jīng)整流后的直流側(cè)電壓變化；②電壓源電壓測(cè)量模塊：用于將直流電壓反饋至SVPWM模塊；③控制電壓信號(hào)源：用戶所需三相電力電壓信號(hào)，用以提供控制參考；④坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊：用以將ABC三相坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為αβ坐標(biāo)系(采用幅值不變?cè)瓌t)；⑤SVPWM模塊：用于接收控制信號(hào)uα、uβ、udc，產(chǎn)生PWM信號(hào)；⑥逆變器模塊：根據(jù)PWM信號(hào)控制三對(duì)功率開關(guān)導(dǎo)通；⑦濾波電路：對(duì)逆變器輸出電力進(jìn)行濾波；⑧A相輸出電壓測(cè)量模塊及其顯示模塊：用以測(cè)量A相輸出電壓瞬時(shí)值及有效值。

圖6 Simulink仿真模型

3.2 結(jié)果分析

模型運(yùn)行時(shí)間0.1 s，可控電壓源采取突變形式模擬，初始值為600 V，0.05 s時(shí)突變?yōu)? 200 V?？刂齐妷盒盘?hào)，即用戶所需逆變器輸出的電力為有效值220 V，頻率50 Hz的三相對(duì)稱正弦交流電(如圖7所示)。

圖7 控制電壓信號(hào)

運(yùn)行模型后，逆變器A相輸出電壓信號(hào)如圖8所示。

圖8 A相輸出電壓

模型中相電壓有效值由RMS模塊求得，其采用周期積分的方法求解，有效值頻率為50 Hz，故仿真0～0.02 s有效值為0。分析結(jié)果可知，當(dāng)0.05 s直流端電壓從600 V突變?yōu)? 200 V時(shí)，逆變器輸出電壓瞬時(shí)值和有效值基本未發(fā)生變化，初步驗(yàn)證了該控制方法的可行性。

4 結(jié) 語

本文介紹了行車變速發(fā)電系統(tǒng)組成及SVPWM逆變控制恒頻恒壓輸出原理，詳細(xì)分析與SVPWM控制相關(guān)的空間電壓旋轉(zhuǎn)矢量、兩電平三相電壓源逆變器導(dǎo)通時(shí)間求解等理論。最后根據(jù)SVPWM原理，建立變速恒頻/恒壓發(fā)電的Simulink仿真模型。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)直流側(cè)電壓由600 V突變?yōu)? 200 V時(shí)，逆變器輸出交流電壓頻率、幅值、有效值均保持預(yù)定恒定輸出，驗(yàn)證了該該控制方法的可行性。

[1] 趙紀(jì)龍,林明耀,付興賀,等. 混合勵(lì)磁同步電機(jī)及其控制技術(shù)綜述和新進(jìn)展[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(33):5876-5887.

[2] 劉晉. 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制策略研究[D].北京：華北電力大學(xué),2014.

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(編輯：史海英)

Simulation on Constant Frequency/ Constant Voltage Output Control in Variable Speed Generation with SVPWM

BIAN Haoran1, ZI Xinyun2, ZENG Fanqi1, CHEN Guanyu1, ZHANG Weifeng2

(1.Postgraduate Training Brigade, Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161, China)

Military hybrid vehicles based on integrated starter generator (ISG) can generate electricity while driving and parking, but the driving speed variation leads to ISG rotation change and changes of three-phase AC power voltage, frequency and rectified DC voltage, which cannot be used for load directly. The paper puts forward a control method called space vector pulse width modulation (SVPWM), which can adjust PWM output according to DC voltage change and output three-phase symmetrical AC power. After introducing the work principle of generating system, it analyzes the control principle of SVPWM, and establishes simulation model of the generating system with Simulink. The simulation result shows that the inverter realizes constant frequency/ constant voltage output while DC voltage changes, which can prove the feasibility of the control method.

space vector pulse width modulation (SVPWM); integrated starter generator (ISG); variable speed generation; constant frequency/ constant voltage; Simulink

2017-04-28；

2017-05-16. 作者簡介： 邊浩然(1992—)，男，碩士研究生； 資新運(yùn)(1971—)，男，教授，碩士研究生導(dǎo)師.

10.16807/j.cnki.12-1372/e.2017.08.018

TM461.3

A

1674-2192(2017)08- 0077- 05

● 基礎(chǔ)科學(xué)與技術(shù) Basic Science & Technology