关键词：永磁同步发电机；矢量控制；MATLAB仿真

1  引言

目前，永磁同步发电系统已在轨道交通领域广泛研究。此系统无需励磁装置，具有体积小、重量轻、效率高、功率因数高、可靠性高等优势。此外，在转子转速较低时永磁同步发电机仍能工作，且噪音较小。随着永磁材料和电力电子技术的迅猛发展，使得永磁同步发电系统脱颖而出，大连机车研究所、株洲机车研究所等轨道交通科研单位对此系统已深入研究并投入生产。本文主要介绍系统主电路拓扑结构、可控整流系统，预充电系统以及过压保护系统等，通过仿真的手段，验证系统的可行性。

2  永磁同步发电机特性

在传统交-直-交内燃牵引传动系统中，牵引发电机一般采用同步发电。按励磁方式不同，分为电励磁同步发电机和永磁同步发电机。如图1所示，为两种同步发电机的外特性曲线。该曲线反映了发电机感应电动势与负载之间的变化关系。由图1分析可知，电励磁同步发电机的端电压，随负载的增加而逐渐减小，永磁同步发电机的电压随负载变化改变不大。通过对比发现，永磁同步发电机更适用于内燃机车牵引传动系统。

3  内燃机车永磁同步发电系统

3.1  永磁同步发电系统的构成 

内燃机车永磁同步发电系统主要由柴油机、永磁同步发电机、永磁同步发电系统控制模块、预充电系统、过压保护系统以及中间直流环节构成^[1]。其主电路拓扑结构如图2所示。

图2  永磁同步发电系统

发电系统的工作过程：在柴油机运行至怠速之前，系统预充电电路对直流母线电容进行充电，使直流母线电压达到初始工作电压；然后通过永磁同步发电系统控制器对永磁同步发电机进行控制，使其工作在发电工况；在空载条件下，直流环节电压稳定在750V；加载后，通过对永磁同步发电机力矩的控制，达到直流母线电压稳定在750V的控制目标。

预充电系统可以减少通电瞬间充电电流对整流模块及电容自身的冲击，预充电系统给电容施加一个电压，同时要限制电流，防止电流过大对电容造成冲击而烧毁电容。支撑电容可以防止来自于DC-Link的电压过冲击和瞬时过电压对负载的影响。当系统负载或柴油机转速发生突变时，会造成永磁同步发电机发电功率与负载运用功率不平衡，此时只能靠支撑电容吸收多余能量，过压保护系统用于处理积累在支撑电容上的多余能量，防止由于能量过高烧毁电路器件的发生。

3.2  永磁同步发电机数学模型

3.2.1  三相静止坐标系下的数学模型

三相定子绕组的电压方程为：

                               （1）

式（1）中：R_S为定子各相绕组电阻；u_A、u_B、u_C分别为定子各相电压的瞬时值；i_A、i_B、i_C分别为定子各相电流的瞬时值；ψ_A、ψ_B、ψ_C分别为定子各相绕组的磁链。

三相定子绕组的磁链方程为：

            （2）

式（2）中：L_AA、L_BB、L_CC分别为定子各相绕组的自感；M_AB、M_AC、M_BC、M_CA、M_AC、M_CB分别为定子三相绕组间的互感；ψ_f为转子永磁体产生的磁链；θ为定子A相轴线与永磁体的轴线之间的夹角。

转矩方程为：

3.3  PWM变流器的数学模型

   为了便于分析变流器数学模型，定义开关函数S_k（k=a，b，c）分别作为三相的开关状态：

3.4  基于矢量控制的稳压控制策略

    矢量控制系统设计为电压/电流双闭环反馈控制，系统结构图如图3所示，主要模块包括电压调节器、电流调节器、弱磁控制器、Clark变换、Park变换及反变换及电压空间矢量SVPWM调制等^[3]。

图3  内燃机车永磁同步发电控制系统结构图

3.5  基于矢量控制的弱磁控制策略

    本文采用的弱磁控制策略，首先通过计算获得电机最大转矩特性曲线和策略切换转矩特性曲线，在电机同步旋转坐标系下通过反馈转速和目标转矩不断更新弱磁工作点，使其在MTPA、电流极限圆、MTPV所包围的区域内移动^[4]-[5]，在复杂的工况下提高电机响应速度和运行效率。具体控制逻辑如图4所示。

图4  弱磁控制逻辑框图

4  发电系统建模与仿真分析

4.1  内燃机车永磁同步发电系统仿真模型

    根据图3所示的内燃机车永磁同步发电控制系统结构框图，结合基于转子磁场定向的矢量及弱磁控制，在Matlab/Simulink环境下搭建如图5所示的仿真模型。其中，PMSG参数为：额定转速1800r/min，极对数为4，交轴电感26mH，直轴电感12mH，定子电阻0.0013Ω，永磁体磁链0.259Wb。支撑电容C为0.008F，电压PI调节器参数为Kp=3，Ki=0.1。仿真条件设置为：PWM开关频率为10kHz，采样周期为10μs，采用变步长ode23tb算法，相对误差为0.0001，仿真时间1s。

图5  内燃机车永磁同步发电系统仿真模型图

4.2  仿真结果分析

系统仿真时间设置为1s，假设在t=0s时内燃机车开始起动，在0.1s内预充电系统将支撑电容充电至400V，且柴油机运行至650rpm，进入怠速状态，为发电工况做准备。0.1s时主电路接触器闭合，系统加载进入发电工况。仿真模型中的电阻负载为0.98Ω，模拟内燃机车的额定负载，此时发电机的输出功率应为内燃机车的额定功率580kW，同时保证直流母线电压稳定在750V。发电机输出功率，d轴电流，发电机电磁转矩及直流母线电压仿真曲线如图6、7、8、9所示。

图6  发电机输出功率

图7  发电机电磁转矩

图8  d轴电流

图9 直流母线电压

由图6分析可知，系统在0.1s内预充电时，PMSG未进入发电工况。0.1s时系统加载，PMSG处于发电工况，在较短的时间内为负载提供580kW的能量，保证系统正常运行；图7为发电机电磁转矩，由于模拟发电额定工况且为纯阻性负载，故加载后发电机电磁转矩稳定在3000N﹒m；由图8可知，发电机在0.1s后开始工作，弱磁电流id按弱磁曲线变化，提高PMSG响应速度，保证系统稳定工作；图9为直流母线电压的变化曲线，系统在前0.1s处于预充电环节，机车蓄电池24V直流电对支撑电容充电至400V。0.1s后进入发电工况，直流母线电压迅速升高且稳定在750V左右，为直流负载提供稳定的电压。

5  结语

本文对内燃机车永磁同步发电系统中PMSG及变流器的数学模型进行推导分析，采用了基于转子磁场定向的矢量控制和基于矢量控制的弱磁控制策略，在Matlab/Simulink软件环境下，搭建了内燃机车永磁同步发电系统仿真模型。仿真结果验证了理论的合理性和控制方法的有效性。结果表明预充电环节及加载工况下，母线电流迅速稳定在750V附近，系统输出功率为580kW，满足负载需求。由于在理想状态下进行系统仿真，模型大部分是简化且理想的，而电机在实际运行过程中会受到外界因素的影响。此仿真为永磁同步发电系统在内燃机车上应用提供依据。

参考文献：

[1] 陈德强. 内燃动车组动力传动控制技术[J]. 内燃机与配件，2018(05)：78-79.

[2] 沈建新. 变速永磁同步发电机系统及控制策略[J]. 电工技术学报，2013.3(3).

[3] 张越雷. 变速永磁同步发电系统关键技术研究[D]. 湖南大学，2016.6.

[4] 丁强. 永磁同步电机矢量控制系统弱磁控制策略研究[D]. 中南大学，2010.5.

[5] 王成元. 现代电机控制技术[M]. 机械工业出版社，2014.3.

作者简介：

孙越（1995-）男；籍贯：江苏省阜宁县，硕士研究生，主要研究方向轨道车辆运行控制及自动化

孟凡顺 （1993-）男；汉族，籍贯天津蓟县，硕士研究生，主要研究方向轨道车辆运行控制及自动化

胡继胜（1966-）男；汉族，教授，博士，主要研究方向轨道车辆运行控制及自动化