摘 要：为解决永磁发电机输出电压不可调控的问题，针对并列结构的混合励磁同步发电机，提出一种新的交流励磁电压矢量控制策略，该控制策略可依据混合励磁发电机输出电压需求，实时调整交流励磁电压大小和相位，实现机端电压的动态调节。为验证控制策略的有效性，建立了基于Matlab/Simulink 软件的并列结构混合励磁发电机的控制系统仿真模型，结果表明，电机在不同工况下运行时,利用该矢量控制策略均能够实时调整气隙磁通,达到稳定输出电压的目的。
关键词：混合励磁同步发电机 励磁电压控制 矢量控制 输出电压
1.引言
混合励磁同步发电机是在永磁发电机的基础上引入电励磁部分而构成的一种发电机，其输出电压可以连续调节.电机由两种磁势源共同产生电机主,其中励磁源主要由永磁磁势提供，电励磁磁势主要用来增强或削弱主磁磁通，起调节作用[1-4]。在专利[5]提出的一种并列结构的混合励磁电机基础上，本文研究其数学模型，根据数学模型建立了相应的Simulink 电机模块。针对一般采用的调节励磁电流来调节端电压的方法[6]，提出了一种调节励磁电压来控制定子电压稳定的控制策略。通过仿真实验，验证了该电机数学模型和控制方法的合及输出电压的可调节性。
2.并列结构混合励磁发电机的结构及工作原理本文所研究的交流励磁并列结构HESG 示意图如图1 所示，它包括永磁部分14 和电励磁部分15，两部分在磁上彼此，在同一机壳内沿轴向并列安装，两部分电机定子铁芯彼此，但共用一套定子电枢绕组。永磁转子磁极采用表面式磁钢结构。电励磁绕组为三相绕组，放置在电励磁部分的定子铁芯内，实现无刷励磁。
并列结构HESG 及其交流励磁控制的工作原理为：三相励磁绕组中通入对称交流励磁电流时，在电励磁部分的空间上形成旋转励磁。通过励磁控制器调节旋转励磁的大小和相位，即可调节电枢绕组中电励磁电动势的大小和相位，从而调节发电机输出电压的大小[7]。
3.混合励磁电机的数学模型为简化分析，做出如下假设[8]：
(1)忽略铁心饱和效应。
(2)电机气隙呈正弦波分布，忽略谐波。
(3)不计发电机中的涡流和磁滞损耗。
(4)电枢绕组和励磁绕组交轴，直轴电抗相等。本文定子电枢绕组和励磁绕组均采用电动机惯例，即以输入电流作为电流的正方向，绕组通过正向电流时，产生正值磁链[9]。
式(1)~式(10)的电压，转矩，转速方程是建立Simulink 模块的基础。
4.基于Matlab/Simulink 建立混合励磁电机仿真模块
建立电机模块有几种方法，一是可以利用S 函数来建立[11-12]，二是可以通过搭建模块的方法建立。这两种方法各有优点，鉴于需要动态的模拟负荷改变时的电机，类似文献[13]中提到的S 函数中假定负荷为具体数值的方法就行不通了。Matlab/Simulink 库内缺少混合励磁电机模型，考虑到对库内已有电机的国产化[14]，仍然存在着不能对所设计电机的参数任意改动的缺点，本文自行搭建电机模块。通过对HESG的电压方程，电磁转矩方程，转速方程变形后来搭建模块。建立的过程包括选定输入输出变量，将方程的表达式分别用Simulink 中的基本模块组合，选定基本合理的仿真参数，选定是采用离散还是连续的仿真方式等等。式(1)~(6)，(9),(10)对应着图2~图8 的Simulink的模块：
如图9，模块设置了输入输出的变量，其参数在模块内可以进行设置，其中Iabc 作为输入量，Ibc 作为输出量是在后续的系统模型中联系系统状态量的变量。混合励磁电机的Simulink 模块建立完成。
5.励磁电压的矢量控制策略
由于HESM 电机中同时存在两个磁势源,两者磁通径相互耦合、相互影响,加之这类电机的结构都比特殊,电磁参数关系复杂,呈很强的非线性,系统建模、分析计算和控制变得较为复杂,传统的电机分析理论和分析方法往往难以奏效,传统控制方法也将难以满足要求[15]。本文提出的控制策略考虑产生励磁电压的主要因素，忽略次要因素，根据控制的最终目的采用近似为线性的控制关系。由于控制的目的是定子输出端电压为定值，一般的方法是控制无刷励磁部分的励磁电流。考虑电压方程(5)(6)，当在稳态时可以忽略微分项，并且当转速不是很低时，电阻压降在式中所占成分很小，可以忽略不计，则方程变为：
6. 仿真结果及分析
表1 所示为仿真电机的参数。仿真过程为混合励磁电机从静止启动到机械角速度为157 rad/min，电角速度为314rad/min，也即频率为50Hz。时间0s~2s 的时间段内，负荷为6096W，4572Var，在1.5s 时间点切除一半的负荷，此时所加负荷为3048W，2286Var。
定子端电压仿真结果如图12，图13 所示。初始时刻随着电机转子角速度的升高，定子端电压随之升高，经过反馈环节的调整，电压很快达到稳定的参考值311V，在2s 时，负荷突然降低为原来的一半，此时，经过反馈环节的调整，使得励磁部分产生的磁通端电压的变化，在2.5s 时刻基本上又恢复到稳定时指定的电压值311V，可见负反馈效果良好。
定子电流仿真结果如图14 所示。初始时刻随着电机转子角速度的升高，定子电流随之升高，经过反馈环节的调整，电流值很快达到稳定，在2s 时，负荷突然降低为原来的一半，此时，经过反馈环节的调整，使得励磁部分产生的磁通端电压的变化，在2.5s时刻电流值又达到一个新的稳定值，可见负反馈的效果良好。