一种具有低电压调整率的永磁同步电机集成电动/发电绕组设计与微电网应用研究

《IEEE Access》：A Permanent Magnet Synchronous Machine Featuring Integrated Motoring and Generating Windings

本文针对微电网中电力电子设备并网导致电压/频率稳定性削弱的问题，研究了一种集成电动绕组(MWs)和发电绕组(GWs)的新型永磁同步电机(PMSM-IMGW)。通过理论分析、有限元仿真和实验验证，研究表明PMSM-IMGW利用两套绕组电枢磁场的强耦合相互抵消特性，使电压调整率从传统发电机的4.35%降至1.86%，降幅达57.24%，同时为微电网系统提供旋转惯量支撑，有效改善频率稳定性。该研究为电机集成设计和微电网稳定运行提供了新方案。

　　

随着光伏(PV)、风电等可再生能源在岛屿和偏远地区微电网系统中的广泛应用，其环境友好性和资源丰富性优势日益凸显。然而，大量电力电子设备并网带来的旋转惯量和阻尼特性不足，导致系统抗扰动能力差，引发电压/频率波动问题。为解决这一挑战，采用电动/发电机组对(MGP)的系统被证明能有效提升稳定性，但传统MGP由两台独立电机构成，集成度不足。此外，发电机带载时因电压调整率(Δu)问题会出现输出电压下降。

针对上述问题，沈阳工业大学的研究团队在《IEEE Access》发表了一项创新研究，提出了一种集成电动/发电绕组的永磁同步电机(PMSM-IMGW)。该电机将两套绕组集成于同一铁心，通过强磁耦合和电枢磁场相互抵消作用，显著降低了电压调整率，同时为微电网提供固有旋转惯量，成为提升系统稳定性的有效解决方案。

研究团队采用有限元分析(FEA)、稳态电压方程推导和实验验证相结合的方法开展研究。首先基于尺寸方程完成电机电磁设计，确定36槽/6极结构方案。通过建立dq坐标系下的电压方程和相量图，理论分析两套绕组在强磁耦合下的d轴和q轴电枢反应相互抵消机制。利用FEA仿真计算了独立运行和双绕组同时运行模式下的电磁性能，包括空载反电动势(EMF)、输出电压/电流、转矩特性及电压调整率。最后研制7.4kW样机搭建实验平台，通过电阻负载测试验证外部特性和电压调整率。

拓扑结构与工作原理

PMSM-IMGW采用径向磁通结构，电动绕组(MWs)和发电绕组(GWs)共同绕制在同一 stator core(定子铁心)上，中性点电气隔离。转子采用多层内置永磁体结构增强凸极比，偏心转子芯(R1>R2)设计降低输出电压谐波失真(THD)，三段斜极结构削弱齿槽转矩。MWs通过变流器连接可再生能源，GWs直接连接负载或电网，共享同一永磁转子实现机电能量转换。

控制系统设计

控制系统通过频率和电压双闭环实现稳定运行：频率调节通过比较实测转速n与参考频率f产生误差信号Δf，调节MWs的q轴电流(i_Mq)维持GWs输出频率恒定；电压调节通过比较GWs输出电压U_G与参考值U_G产生误差信号ΔU_G，调节MWs的d轴电流(i_Md)改变气隙磁场，实现GWs输出电压稳定。

电压调整率机理分析

基于稳态电压方程推导，当两套绕组电流相位差接近180°时，其d轴和q轴电枢反应磁场相互抵消，使发电侧输出电压U_G近似等于空载反电动势E_G0，电压调整率Δu=(E_G0-U_G)/U_GN×100%趋近于零。理论分析表明，强磁耦合下的磁场抵消效应是实现低电压调整率的关键。

电磁性能仿真

FEA结果显示：独立发电模式下电压调整率为4.35%，而双绕组同时运行时降至1.86%。当功率从0.2倍额定值增至1.8倍时，电压调整率仅从0.38%升至3.1%，证明PMSM-IMGW具有宽功率范围内的恒压输出能力。效率计算表明额定工况下整机效率达92.96%，满足工程应用要求。

频率稳定性改善

通过Matlab/Simulink构建光伏系统、MGP系统和PMSM-IMGW系统对比模型。在50%阶跃负载扰动下，PMSM-IMGW系统较光伏系统频率峰值降低43.31%，动态恢复时间缩短约60%。计算得电机等效惯性常数H=0.26s，虽低于大型同步发电机，但显著优于同容量常规电机(H<0.1s)，为微电网提供实际旋转惯量支撑。

实验验证

研制7.4kW样机开展实验测试：空载线电压测量值与FEA结果误差小于1.5%；额定负载下GWs相电压216.86V，电流5.49A，输出功率3.62kW；两套绕组电流相位差实测为180.13°，与理论分析一致。外部特性测试显示功率从0.2倍至1倍额定值变化时，电压调整率从0.59%升至2.61%，验证了低电压调整率特性。

研究结论表明，PMSM-IMGW通过集成设计和磁场耦合控制，实现了电压调整率显著降低(57.24%)和系统集成度提升。其固有旋转惯量为微电网频率稳定提供新支撑方案，而d轴电流调节能力确保宽负载范围内的电压稳定输出。该研究为电机集成设计提供了理论依据，为发电机低电压调整率实现提供了新方法，在可再生能源并网领域具有重要应用价值。