绕组开放式永磁起动/发电机系统的拓扑结构及控制技术研究

Due to the high power density and efficiency, the permanent magnet generator has been widely used in the wind power, standlone power system and automobile electrical power system. In order to overcome the inherent disadvantage of magnetic field regualtion, narrow speed range and difficult voltage regualtion, A novel open-end winding permanent magnet machine with the inverter-rectifier topology is proposed for the starter/generator system.In this project, the operation principles of intergrated start and generation process are mainly studied, and the topology of the inverter-rectifier which determines the characteristics of the proposed the starter/generator system is also analyzed.The control strategies of the output torque for cranking the engine in start mode and voltage regulation in the generation mode are given. Then, the hardware prototype of the proposed system is built for verifying the feasibility. The purpose of the project is to introduce the operation principle of the open-end winding permanent magnet starter/generator system, and present the integrated control algorithm of start and generating. The generating characteristics of the proposed system in wide speed range is also explored. Theory and technique of the project will be the preparation for the new open-winding permanent magnet machine used in the starter/generator system.

永磁电机由于其功率密度、效率高等优点，成为风力发电、独立电源系统以及车载电气系统的首选电机类型。本项目针对永磁电机固有的气隙磁场难以调节、发电运行适应转速范围窄、调压控制困难等问题，提出一种新型绕组开放式结构永磁电机方案，结合逆变器-整流桥拓扑构成新型起动/发电系统。本项目重点研究：绕组开放式永磁电机的起动、发电一体化工作原理；逆变器-整流桥拓扑结构对起动/发电系统运行特性的影响；起动、发电运行模式下输出转矩和调压控制策略；最后构成物理试验系统，进行试验验证。通过本项目的研究，阐明基于逆变器-整流器拓扑的新型绕组开放式永磁起动/发电机系统系统的工作原理，提出起动、发电一体化控制策略，揭示其宽转速范围发电运行特性。本项目将为新型绕组开放式结构永磁发电机在起动发电系统中的应用提供理论依据和技术基础。

永磁电机具有功率密度大、效率高等优点，在风力发电、独立电源系统以及车载电气系统具有良好的应用前景，但是由于永磁电机固有的气隙磁场难以调节，导致恒功率转速范围窄、宽转速发电调压控制困难。本项目针对电动汽车系统，提出一种新型绕组开放式结构永磁电机方案，结合逆变器-整流桥拓扑构成新型起动/发电系统，起动运行过程利用切换开关将系统中的整流桥切除，构造成具有中性点的永磁电机，采用矢量控制实现恒转矩起动控制；发电阶段运行阶段，根据系统的结构组成，分别提出了串联式和并联式绕组开放式永磁发电机系统拓扑结构，对系统中永磁发电机、逆变器和整流桥部分的电压空间矢量耦合关系、功率流、逆变器工作模态变化及发电运行工作原理进行了详细研究；针对串联式发电系统提出了基于矢量控制的电压、电流双闭环调压控制策略，针对并联式发电系统的对称性拓扑结构，通过分析单相绕组等效结构的工作原理及调压控制运行工作模态，提出一种基于电流滞环控制的发电调压策略，仿真验证了两种发电系统具有优良的动稳态特性和转速范围；针对并联式绕组开放式永磁发电机系统零序回路的特性，分析了常规SVPWM调制策略下零序电流和谐波问题，在滞环和SPWM控制方法的基础上，提出一种基于整流桥侧电压前馈补偿的改进型SPWM策略。在此基础上，将开绕组永磁发电机的拓扑结构和控制技术扩展应用于风光互补发电系统、三相-单相交流发电系统，研究了串联式、并联式拓扑结构下绕组开放式永磁风力发电机的最大风能跟踪控制策略，系统风能、太阳能匹配的工作状态及直流侧负载稳压控制策略；详细分析了由开绕组发电机、双变换器、单相负载构成的三相-单相交流发电系统的拓扑结构和基本工作原理，提出了一种通过控制发电机相电流正序分量和零序分量实现对电容电压和单相交流输出电压控制的系统控制策略，并基于半实物仿真平台，对两种绕组开放式永磁发电机的应用系统进行了实验验证。本项目提出的新颖的基于整流桥-逆变器的简化拓扑结构为绕组开放式绕组电机的研究提供了一个全新的思路，系统工作原理、控制和应用技术的研究，极大的丰富了绕组开放式永磁电机系统理论，促进了新型结构开放式永磁电机技术的进步。