一種抑制共母線單邊可控開(kāi)繞組永磁電機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電機(jī)控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種抑制共母線單邊可控開(kāi)繞組永磁電 機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，近年來(lái)受到世界各國(guó)的高度重視。風(fēng)能蘊(yùn)藏量 巨大，全球的風(fēng)力發(fā)電連續(xù)多年來(lái)保持快速、持續(xù)的增長(zhǎng)。由于鋁鎳鈷、鐵氧體和釹鐵硼等 高磁能密度的永磁材料的出現(xiàn)，使永磁電機(jī)得到了空前的發(fā)展和壯大。永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī) 組以其可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低、并網(wǎng)適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，逐步發(fā)展成為各大風(fēng)電場(chǎng) 上的主流機(jī)型。
[0003] 對(duì)于傳統(tǒng)的永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，需要全功率的變流器才能保證系統(tǒng)的正 常運(yùn)行。近年來(lái)，開(kāi)繞組電機(jī)結(jié)構(gòu)被提出以減小開(kāi)關(guān)管應(yīng)力（如圖1所示）。即將傳統(tǒng)的 Y接繞組中性點(diǎn)解開(kāi)，繞組兩端各接一個(gè)變流器，通過(guò)對(duì)兩個(gè)變流器的控制以實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn) 換。與此同時(shí)，開(kāi)繞組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)三電平控制，有益于提高了電機(jī)的電壓等級(jí)，并且減 小了電壓調(diào)制的諧波含量。
[0004] 然而，在開(kāi)繞組結(jié)構(gòu)的電機(jī)控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制器需要對(duì)更多的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行開(kāi) 關(guān)控制，一方面加大了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，另一方面對(duì)控制信號(hào)實(shí)時(shí)性有了更高的要求。為 降低開(kāi)繞組電機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，一種單邊可控開(kāi)繞組電機(jī)系統(tǒng)被提出（如圖2所示），即采 用一組二極管整流橋與一組電壓源型變流器接至開(kāi)繞組電機(jī)兩端。由于該拓?fù)淇煽亻_(kāi)關(guān)器 件數(shù)量為傳統(tǒng)開(kāi)繞組PMSG系統(tǒng)的一半，從而減少了系統(tǒng)控制的復(fù)雜度。
[0005] 但對(duì)于這種單邊可控開(kāi)繞組電機(jī)系統(tǒng)而言，在共直流母線的情況下，電流諧波會(huì) 隨著功率因數(shù)角的增大而增大。當(dāng)存在一定功率因數(shù)角時(shí)，每相電流會(huì)在過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)一段 時(shí)間以保持與電壓的相同極性。這種過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)造成二極管的不斷開(kāi)通關(guān)斷，這會(huì) 從一定程度上增加二極管的開(kāi)關(guān)損耗，還會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)很大的電磁干擾（EMI)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種抑制共母線單邊可控開(kāi) 繞組永磁電機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法，能夠有效抑制電流的過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)，減小開(kāi) 關(guān)損耗與系統(tǒng)EMI，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，抗干擾能力強(qiáng)。
[0007] -種抑制共母線單邊可控開(kāi)繞組永磁電機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法，包括 如下步驟：
[0008] (1)采集所述永磁電機(jī)系統(tǒng)的端電壓、相電流、公共的直流母線電壓Ud。、電機(jī)轉(zhuǎn)速 ?以及轉(zhuǎn)子位置角Q;
[0009] (2)利用所述的轉(zhuǎn)子位置角0對(duì)相電流進(jìn)行dqO坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相電流的d 軸分量id、q軸分量iq和〇軸分量iz;
[0010] (3)根據(jù)所述的電機(jī)轉(zhuǎn)速《以及相電流的d軸分量id，q軸分量ijPO軸分量iz， 計(jì)算出永磁電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率P、有功軸電壓補(bǔ)償量Auq、無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量Aud和 零序電壓補(bǔ)償量Auz;
[0011] (4)根據(jù)所述的實(shí)際輸出功率P、有功軸電壓補(bǔ)償量Auq和無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量 Aud，通過(guò)基于無(wú)功軸電流為零的矢量控制算法計(jì)算出有功軸電壓指令Uq和無(wú)功軸電壓指 令ud;
[0012] (5)根據(jù)所述的有功軸電壓指令Uq和無(wú)功軸電壓指令ud計(jì)算出零序電流參考值 Iz;進(jìn)而根據(jù)所述的零序電流參考值12和〇軸分量iz通過(guò)比例諧振控制，計(jì)算得到零序電 壓指令uz;
[0013] (6)根據(jù)所述的相電流確定永磁電機(jī)系統(tǒng)中不控型變流器交流側(cè)的相電壓，并對(duì) 所述的相電壓進(jìn)行dqO坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相電壓的d軸分量ud2、q軸分量Uq2和0軸分量 uz2;進(jìn)而使所述的d軸分量ud2、q軸分量Uq2和0軸分量uz2對(duì)應(yīng)與無(wú)功軸電壓指令ud、有功 軸電壓指令Uq和零序電壓指令\相加，得到永磁電機(jī)系統(tǒng)中可控型變流器的無(wú)功軸電壓指 令Udl、有功軸電壓指令Uql和零序電壓指令Uzl;
[0014] (7)根據(jù)所述的無(wú)功軸電壓指令udl和有功軸電壓指令uql，利用SVPWM(空間電壓 矢量調(diào)制）算法確定所述可控型變流器的調(diào)制電壓矢量所在的扇區(qū)以及該扇區(qū)對(duì)應(yīng)兩個(gè) 有效矢量的作用時(shí)長(zhǎng)；進(jìn)而根據(jù)所述的零序電壓指令1^和直流母線電壓Ud。，計(jì)算出可控型 變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)；
[0015] 根據(jù)所述的兩個(gè)有效矢量及其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)長(zhǎng)以及兩個(gè)零矢量及其對(duì)應(yīng)的作用 時(shí)長(zhǎng)，構(gòu)造得到一組PWM信號(hào)以對(duì)可控型變流器進(jìn)行控制。
[0016] 所述的步驟（3)中根據(jù)以下算式計(jì)算永磁電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率P、有功軸電 壓補(bǔ)償量AUq、無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量Aud和零序電壓補(bǔ)償Auz;
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種抑制共母線單邊可控開(kāi)繞組永磁電機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法，包括如 下步驟： (1) 采集所述永磁電機(jī)系統(tǒng)的端電壓、相電流、公共的直流母線電壓Ud。、電機(jī)轉(zhuǎn)速ω以 及轉(zhuǎn)子位置角Θ ; (2) 利用所述的轉(zhuǎn)子位置角Θ對(duì)相電流進(jìn)行dqO坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相電流的d軸分 量id、q軸分量iq和0軸分量i z; (3) 根據(jù)所述的電機(jī)轉(zhuǎn)速ω以及相電流的d軸分量id，q軸分量i,和0軸分量i z，計(jì) 算出永磁電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率P、有功軸電壓補(bǔ)償量Auq、無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量Aud和零 序電壓補(bǔ)償量Δ uz; (4) 根據(jù)所述的實(shí)際輸出功率P、有功軸電壓補(bǔ)償量Au,和無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量Aud，通 過(guò)基于無(wú)功軸電流為零的矢量控制算法計(jì)算出有功軸電壓指令Uq和無(wú)功軸電壓指令u d; (5) 根據(jù)所述的有功軸電壓指令u,和無(wú)功軸電壓指令u ,計(jì)算出零序電流參考值I ,;進(jìn) 而根據(jù)所述的零序電流參考值12和〇軸分量i z通過(guò)比例諧振控制，計(jì)算得到零序電壓指令 uz; (6) 根據(jù)所述的相電流確定永磁電機(jī)系統(tǒng)中不控型變流器交流側(cè)的相電壓，并對(duì)所述 的相電壓進(jìn)行dqO坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換，得到相電壓的d軸分量ud2、q軸分量Uq2和0軸分量u z2;進(jìn)而使所述的d軸分量ud2、q軸分量uq2和0軸分量u z2對(duì)應(yīng)與無(wú)功軸電壓指令u d、有功軸 電壓指令Uq和零序電壓指令^相加，得到永磁電機(jī)系統(tǒng)中可控型變流器的無(wú)功軸電壓指令 Udl、有功軸電壓指令Uql和零序電壓指令U zl; (7) 根據(jù)所述的無(wú)功軸電壓指令Udl和有功軸電壓指令u ql，利用SVPWM算法確定所述可 控型變流器的調(diào)制電壓矢量所在的扇區(qū)以及該扇區(qū)對(duì)應(yīng)兩個(gè)有效矢量的作用時(shí)長(zhǎng)；進(jìn)而根 據(jù)所述的零序電壓指令Uzl和直流母線電壓U d。，計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí) 長(zhǎng)； 根據(jù)所述的兩個(gè)有效矢量及其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)長(zhǎng)以及兩個(gè)零矢量及其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)長(zhǎng)， 構(gòu)造得到一組PWM信號(hào)以對(duì)可控型變流器進(jìn)行控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（3)中根據(jù)以下算式計(jì) 算永磁電機(jī)系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率P、有功軸電壓補(bǔ)償量△!!,、無(wú)功軸電壓補(bǔ)償量Aud和零序 電壓補(bǔ)償Auz;
其中：1^和Lq分別為永磁電機(jī)的直軸電感和交軸電感，Ψ 1?和Ψ &分別為永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子 磁鏈的基波分量和三次諧波分量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（4)中基于無(wú)功軸電流 為零的矢量控制算法，具體過(guò)程如下： 4. 1使預(yù)設(shè)的目標(biāo)輸出功率PMf減去所述的實(shí)際輸出功率P，得到功率誤差P 4. 2對(duì)所述的功率誤差Pm進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到有功軸電流指令I(lǐng) ,，同時(shí)令無(wú)功軸電流指 令I(lǐng)d為零； 4. 3使無(wú)功軸電流指令I(lǐng)d和有功軸電流指令I(lǐng) ,分別減去相電流的d軸分量i d和q軸 分量，得到無(wú)功軸電流誤差idOT和有功軸電流誤差i 4. 4分別對(duì)所述的有功軸電流誤差和無(wú)功軸電流誤差i 進(jìn)行PI調(diào)節(jié)得到有功 軸電壓誤差Uqm和無(wú)功軸電壓誤差u dOT;使所述的有功軸電壓補(bǔ)償量Λ u q和無(wú)功軸電壓補(bǔ) 償量Δ ud分別減去有功軸電壓誤差u 和無(wú)功軸電壓誤差u ，即得到有功軸電壓指令u, 和無(wú)功軸電壓指令ud。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（5)中通過(guò)以下算式計(jì) 算零序電流參考值Iz:
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（5)中比例諧振控制的 具體計(jì)算過(guò)程如下： 首先，使所述的零序電流指令I(lǐng)z減去相電流的〇軸分量i z，得到零序電流誤差izm; 然后，對(duì)所述的零序電流誤差izm進(jìn)行PR調(diào)節(jié)得到零序電壓誤差u ζε"; 最后，使所述的零序電壓補(bǔ)償量△ uz減去零序電壓誤差u ，即得到零序電壓指令uz。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（6)中通過(guò)以下關(guān)系式 確定永磁電機(jī)系統(tǒng)中不控型變流器交流側(cè)的相電壓：
其中：ua2~u。2分別為不控型變流器交流側(cè)的A相電壓、B相電壓和C相電壓，i a~i。 分別為永磁電機(jī)系統(tǒng)的A相電流、B相電流和C相電流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步驟（7)中根據(jù)所述的零序 電壓指令Uzl和直流母線電壓U d。，通過(guò)以下規(guī)則計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí) 長(zhǎng)； 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第一扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 100和110 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp rp rp rp rp 1〇00 - ^ S-MOO-MIO-MIi 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第二扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 010和110 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp rp rp rp rp 1〇00 - ^ s_^010_M10_Mll 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第三扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 010和011 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp _ rp rp rp rp 1〇〇〇 - I s_l〇io_l〇ii_lm 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第四扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 001和011 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp _ rp rp rp rp 1〇〇〇 - I s_l〇oi_l〇ii_lm 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第五扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 001和101 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp _ rp rp rp rp 1〇00 - ^ s_^001_M01_Mll 當(dāng)可控型變流器的調(diào)制電壓矢量位于第六扇區(qū)，該扇區(qū)對(duì)應(yīng)的兩個(gè)有效矢量分別為 100和101 ;此時(shí)，通過(guò)以下算式計(jì)算出可控型變流器兩個(gè)零矢量的作用時(shí)長(zhǎng)：
rp _ rp rp rp rp ^000 - ^ S-MOO-MOI-MIi 其中：1；為變流器中功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)周期，T nJP T _分別為可控型變流器兩個(gè)零 矢量111和000對(duì)應(yīng)的作用時(shí)長(zhǎng)，!^、!^、!^、!^、!^和T _分別為可控型變流器六個(gè)有 效矢量1〇〇、〇11、11〇、〇〇1、1〇1和010對(duì)應(yīng)的作用時(shí)長(zhǎng)。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種抑制共母線單邊可控開(kāi)繞組永磁電機(jī)系統(tǒng)電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)的控制方法，本發(fā)明電機(jī)系統(tǒng)采用共直流電源結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)牧阈螂娏鲄⒖贾?，并采用比例諧振控制器達(dá)到電流快速過(guò)零的目的，該系統(tǒng)采用一個(gè)全控變流器和一個(gè)不控變流器，降低了成本的同時(shí)增加了系統(tǒng)的容量，且只涉及一個(gè)直流電源且不需要隔離，實(shí)現(xiàn)電流快速過(guò)零。只是在控制算法上改動(dòng)，不需要增加系統(tǒng)硬件成本。相比于傳統(tǒng)的控制方法，本發(fā)明減小了電流過(guò)零點(diǎn)波動(dòng)，降低了功率二極管的開(kāi)關(guān)次數(shù)，降低了系統(tǒng)的EMI，控制方法簡(jiǎn)單，且抗干擾能力強(qiáng)。
【IPC分類】H02P21-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104852657
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510245194
【發(fā)明人】年珩, 周義杰
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月14日