摘要：针对直接转矩控制(DTC)数字控制系统采样与控制时延所造成的电机转矩与磁链纹波增大的问题，提出一种应用于永磁同步发电机(PM SG)的预测DTC策略。通过建立PMSG的数学模型，深入分析控制系统的时延机理，建立了基于电机模型方程的转矩与磁链预测算法。*后构建了PMSG实验机组，实验结果表明，该预测策略在保持传统DTC优良动态性永磁同步发电机；直接转矩控制；时间延迟

1 引言

    以风力发电为代表的可再生

2．2 预测直接转矩控制策略

    传统DTC算法中，定子磁链与电磁转矩是根据当前采样点(假定为k时刻)的电压u(k)与电流值i(k)由式(1)，(2)算得，并根据DTC策略得到相应的目标电压矢量v(k)。理想情况下该电压矢量在k时刻施加，在k+1时刻使转矩与磁链达到给定值，如图1a所示。但由于采样及数字计算的延迟，期望电压矢量实际上是在一个采样周期后，即k+1时刻施加，在k+2时刻才使转矩与磁链达到给定值，如图1b所示。这使得转矩与磁链的响应始终滞后一个开关周期，降低了PMSG系统的运行性

    若

    根据式(5)可预测k+1时刻的电流值，然后对其进行反Park变换(变换时需要转子位置信息θ，θ值由无位置传感器获得)，即可得到α，β轴

下电流的预测值，结合式(2)，(3)即可计算出k+1时刻的转矩预测值：

    Te(k+1)=3np[ψsα(k+1)isβ(k+1)-ψsβ(k+1)isα(k+1)]／2       (6)

    图2示出基于SVM的PMSG系统预测DTC框图，虚线框中为使用无位置传感器技术获得的转子位置与转速信息，预测算法模块使用式(3)～式(6)获得k+1时刻的转矩与磁链值，其他部分与常规SVM-DTC类似，通过SVPWM实现对机侧变流器的控制。

3 实验验证

    为验证基于SVM技术的PMSG预测DTC策略，搭建了一套5．5kW PMSG控制系统，如图3所示。风力机模拟平台参数：感应电机功率7．5kW；电机极对数2；齿轮箱变比17：1。PMSG参数：额定功率5．5 kW；额定线电压230 V；额定电流19．5 A；额定转速80 r·min-1；极对数8；d轴电感77．56 mH；q轴电感107．4 mH；定子电阻1．1 Ω；直流母线电压260 V；额定转矩656 N·m。使用通用变流器控制的7．5 kW感应电动机作为风力机模拟平台，通过齿轮箱降速与额定功率为5．5 kW PMSG相连。PMSG由机侧变流器实现发电控制，由于在实际风力发电系统中直流母线电压通常由网侧变流器来提供，并维持恒定，在此通过直流电源作为直流母线供电电源，并在直流母线上并联电阻Rdc作为系统负载，用来消耗PMSG发出的电能。

    图4a，b为PMSG在传统DTC和预测DTC下的稳态转矩与电流波形，其中转速为40 r·min-1，转矩给定为-350 N·m，电流有效值为7．4 A，此时PMSG输出功率为1．5 kW。可见，传统DTC下，实际转矩在给定转矩值上下波动，纹波水平约为8％，电流THD值为7．29％；预测DTC下，转矩纹波明显减小，约为给定值的4％，电流THD值为5．9％，相比于传统DTC有所改善。

    图4c，d示出PMSG在传统DTC与预测DTC下的动态响应波形，转矩均从-350 N·m阶跃至-150 N·m，同时电流值也相应地减小，预测DTC和传统DTC下响应时间分别为6．3 ms和6．5 ms，可见所提出的预测DTC策略保留了传统SVM-DTC优良的动态特性。

4 结论

    由于DTC策略在每个采样周期内均需进行数据处理，导致相应的采样与控制时间延迟，增大了转矩与磁链的控制误差。为此提出一种基于空间矢量调制技术的PMSG预测DTC策略，该方案通过对转矩和磁链的预测，可有效弥补时间延迟对系统性能的影响。实验结果表明，该预测算法可有效减小转矩纹波，同时也保留了传统空间矢量调制DTC优良的动态特性，提高了系统性能。