一种计及三次谐波反电势抑制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法

一种计及三次谐波反电势抑制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种计及三次谐波反电势抑制共母线开 绕组永磁电机系统零序电流的控制方法。
【背景技术】
[0002] 风能作为一种清洁的可再生能源，近年来受到世界各国的高度重视。永磁直驱式 风电机组以其可靠性高、结构简单、维护成本低、并网适应性强等优点，逐步成为风电系统 中的主流机型之一。
[0003] 传统的永磁同步风电系统结构如图1所示，其主要由风力发电机、机侧变流器以 及网侧变流器组成。系统由风轮带动永磁发电机的转子转动，从而实现机械能向电能的转 换，直流母线上并联直流母线电容，网侧变流器通过一组变压器将电能馈入电网。在将捕获 的风能以电能的形式馈入电网的过程中，只需要根据要求控制机侧变流器与网侧变流器上 的开关器件的导通关断，即可达到控制目的。
[0004] 近年来，有人提出开绕组电机结构，即将传统的Y接绕组中性点解开，绕组两端各 接一个变流器，通过对两个变流器的控制，可以实现三电平控制，提高了电机的电压等级， 并且减小了电压调制的谐波含量。由于开绕组结构下，使用了两组变流器，他们的直流侧连 接方式也直接对系统的运行性能产生影响。通常来讲，直流侧连接方式分为两种：不共直流 母线连接方式与共直流母线连接方式。不共直流母线结构如图2所示，该结构下，两个变流 器分别连接到两个隔离的直流电源，由于两直流电源隔离，系统中不存在零序电流回路，即 使电压中存在三次谐波，也不会产生零序电流，但是由于系统需要两个隔离的直流源，增加 了系统的复杂程度和成本。然而，当采用共直流母线连接方式时，如图3所示，主回路存在 零序电流回路。由于永磁电机中不可避免的存在反电势三次谐波，若不采用适当的控制方 法，系统中将会有零序电流流通，从而导致系统效率低下，轴承发热等问题。

【发明内容】

[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种计及三次谐波反电势抑 制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法，结构简单，成本低。
[0006] -种计及三次谐波反电势抑制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法， 包括如下步骤：
[0007] (1)采集所述永磁电机系统的端电压、相电流、公共的直流母线电压Ud。、电机转速 ?以及转子位置角Q^
[0008] (2)利用所述的转子位置角0 ?相电流进行dqO坐标旋转变换，得到相电流的d 轴分量id、q轴分量iq和〇轴分量iz;
[0009] (3)根据所述的电机转速《以及相电流的d轴分量id，q轴分量iq和0轴分量iz， 计算出永磁电机系统的实际输出功率P、有功轴电压补偿量、无功轴电压补偿量Aud和 零序电压补偿量Auz;
[0010] (4)根据所述的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Auq、无功轴电压补偿量Aud 和零序电压补偿量△uz，通过基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令 uq、无功轴电压指令ud以及零序电压指令uz;
[0011] (5)对所述的有功轴电压指令uq和无功轴电压指令ud进行分配，得到永磁电机系 统中两台变流器各自的调制电压矢量；
[0012] 对于任一台变流器，利用SVPWM(空间电压矢量调制）算法确定其调制电压矢量所 在的扇区以及该扇区对应两个有效矢量的作用时长；进而根据所述的零序电压指令uz和直 流母线电压Ud。，计算出该变流器两个零矢量的作用时长；
[0013] 根据所述的两个有效矢量及其对应的作用时长以及两个零矢量及其对应的作用 时长，构造得到一组PWM信号以对该变流器进行控制。
[0014] 所述的步骤（3)中根据以下算式计算永磁电机系统的实际输出功率P、有功轴电 压补偿量AUq、无功轴电压补偿量Aud和零序电压补偿量Auz;
[0015]
[0016]
[0017] 其中：1^和Lq分别为永磁电机的直轴电感和交轴电感，Wj?和W&分别为永磁电机 转子磁链的基波分量和三次谐波分量。
[0018] 所述的步骤（4)中基于无功轴电流为零的矢量控制算法，具体过程如下：
[0019] 4. 1使预设的目标输出功率PMf减去所述的实际输出功率P，得到功率误差P
[0020] 4. 2对所述的功率误差进行PI(比例积分）调节得到有功轴电流指令Iq，同时 令无功轴电流指令1<!和零序电流指令I2均为零；
[0021] 4. 3使无功轴电流指令Id、有功轴电流指令15和零序电流指令I2分别减去相电流 的d轴分量id、q轴分量ijP0轴分量iz，得到无功轴电流误差idOT、有功轴电流误差iqOT 和零序电流误差iZ6";
[0022] 4. 4分别对所述的有功轴电流误差iqe"和无功轴电流误差ide"进行PI调节得到 有功轴电压误差uqOT和无功轴电压误差udOT;使所述的有功轴电压补偿量Auq和无功轴电 压补偿量Aud分别减去有功轴电压误差u 和无功轴电压误差u ，即得到有功轴电压指 令Uq和无功轴电压指令ud;
[0023] 4. 5对所述的零序电流误差进行PR(比例谐振）调节得到零序电压误差11_; 使所述的零序电压补偿量△Uz减去零序电压误差u ，即得到零序电压指令uz。
[0024] 所述的步骤（5)中按照大小相同方向相反的原则对有功轴电压指令ujP无功轴 电压指令Ud进行分配，即U(Ud+Uqj)/%U2=-(Ud+Uqj)/^ ;其中，七和U2分别为两台变 流器各自的调制电压矢量，j为虚数单位。
[0025] 所述的步骤（5)中根据零序电压指令\和直流母线电压Ud。，通过以下规则计算出 变流器两个零矢量的作用时长：
[0026] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第一扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为1〇〇和110 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第四 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为001和011 ;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：
[0032] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第二扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为110和010 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第五 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为001和101 ;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：
[0038] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第三扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为010和011 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第六 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为100和101 ;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：
[0044] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第四扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为001和oil;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第一 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为100和110 ;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：
[0050] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第五扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为001和101 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第二 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为110和010;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：

[0056] 当其中一台变流器A1的调制电压矢量^位于第六扇区，该扇区对应的两个有效 矢量分别为101和1〇〇 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量112位于第三 扇区，该扇区对应的两个有效矢量分别为010和011 ;则通过以下算式计算出每台变流器两 个零矢量的作用时长：
[0062] 其中：Ts为变流器中功率开关器件的开关周期，Tim和Ti_分别为变流器A1两个 零矢量111和〇〇〇对应的作用时长，T2111和T2 _分别为变流器A2两个零矢量111和000 对应的作用时长，1(11和Ti_分别为变流器A1六个有效矢量100、 011、1 10、001、101 和 010 对应的作用时长，T2 1QQ、T2Q11、T2 11Q、T2QQ1、T2 1(11和T2 _分别为变 流器A2六个有效矢量100、011、110、001、101和010对应的作用时长。
[0063] 本发明基于开绕组结构的永磁同步发电机，采用共直流母线结构，通过设计零序 电流控制闭环并采用改进SVPWM调制方法达到抑制零序电流的目的，该系统只涉及一个直 流电源且不需要隔离，抑制零序电流只是在控制算法上改动，不需要增加系统硬件成本。本 发明提出的系统和控制方法相比于传统的结构，减小了系统复杂度，降低了成本，很好的解 决了永磁体反电势含有三次谐波引起的零序电流的问题。
【附图说明】
[0064] 图1为传统开绕组永磁电机结构示意图。
[0065] 图2为不共直流母线开绕组永磁电机结构示意图。
[0066] 图3为共直流母线开绕组永磁电机结构示意图。
[0067] 图4为共直流母线开绕组永磁电机系统示意图。
[0068] 图5为本发明系统的控制框图。
[0069] 图6(a)和图6(b)分别为变流器1和变流器2的调制电压指令分配示意图。
[0070] 图7为共直流母线开绕组永磁同步发电系统不采用本发明方法和采用本发明方 法时的实验波形对比示意图（包括端电压ua~u。波形、相电流ia~i。波形、零序电流h 波形和转矩波形）。
[0071] 图8(a)为共直流母线开绕组永磁同步发电系统不采用本发明方法时的a相电流 谐波分析示意图。
[0072] 图8(b)为共直流母线开绕组永磁同步发电系统不采用本发明方法时的PWM信号 构成示意图。
[0073] 图9(a)为共直流母线开绕组永磁同步发电系统采用本发明方法时的已相电流谐 波分析示意图。
[0074] 图9(b)为共直流母线开绕组永磁同步发电系统采用本发明方法时的PWM信号构 成示意图。
[0075] 图10为共直流母线开绕组永磁同步发电系统采用本发明方法时与不采用本发明 方法时的谐波含量与功率输出关系曲线示意图。
【具体实施方式】
[0076] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案 及其相关原理进行详细说明。
[0077] 如图4所示，一种基于共直流母线开绕组永磁电机系统，包括：一台永磁电机、两 台变流器J1~J2、一直流电源S和一台控制器；其中，永磁电机具有三相绕组，并且为开绕 组结构；变流器J1和J2采用三相全桥整流器，变流器J1和J2直流侧共用同一直流电源， 并且直流电源上并有母线电容C，每个桥臂上至少由一个电力电子开关器件串联组成，本实 施方式中开关器件采用IGBT;永磁电机任一相绕组的一端与机侧变流器J1中对应相上下 桥臂的中心接点相连，另一端与机侧变流器J2中对应相上下桥臂的中心接点相连。
[0078] 控制器用于采集永磁同步电机的端电压ua~u。、相电流ia~i。、变流器的直流输 出电压Ud。以及编码器的位置信号（电磁转速《和转子位置角0 进而通过控制方法与 调制策略构造出PWM信号以对两台变流器进行控制。本实施方式中，控制器采用DSP。
[0079] 如图5所示，本实施方式的控制和抑制零序电流方法，包括如下步骤：
[0080]A1.采集永磁电机的端电压ua~u。和相电流i a~i。以及两台变流器的直流输出 电压Ud。，根据编码盘信号米集永磁电机的电磁转速w和转子位置角0^
[0081] A2.利用所述的转子位置角吣对相电流进行dqO变换，得到相电流的d轴分量 id、q轴分量iq和〇轴分量iz (也记为零序分量）；
[0082] A3.根据所述的电磁转速以及相电流的d轴分量id、q轴分量iq和0轴分量i^，计 算出永磁电机的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Auq、无功轴电压补偿量Aud和零序电 压补偿量Auz;
[0083]
[0084]
[0085]其中：1^和Lq分别为永磁电机的直轴电感和交轴电感，Wj?为永磁电机的转子磁链 基波分量，，为永磁电机的转子磁链三次谐波分量；本实施方式中，W,= 2. 802V.s，W3, =0? 064V.s，Ld= 77. 56mH，Lq= 107. 4mH。
[0086] 进而根据基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令uq和无功 轴电压指令ud;
[0087] (1)使预设目标输出功率PMf减去实际输出功率P，得到功率误差POT;本实施方式 中Pref= 1000W;
[0088] (2)根据以下算式对功率误差进行PI调节得到有功轴电流指令Iq，并令无功 轴电流指令1<!为〇,零序电流指令I〇为〇 ;
[0089]
[0090] 其中，Kpl和Kn分别为比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子；本实施方式中，Kpl =0. 5,Kn= 0. 005。
[0091] (3)使无功轴电流指令Id、有功轴电流指令15和零序电流指令I^分别减去相电流 的d轴分量id、q轴分量iq和零序分量i^，得到无功轴电流误差idOT、有功轴电流误差iqOT 和零序电流误差iZ6";
[0092] (4)根据以下公式，分别对有功轴电流误差iqe"和无功轴电流误差ide"进行PI调 节得到有功轴电压误差uqOT和无功轴电压误差u ，使有功轴电压补偿量Auq和无功轴电 压补偿量Aud分别减去有功轴电压误差和无功轴电压误差，即得到有功轴电压指令uq和无 功轴电压指令ud;
[0093]
[0094]
[0095] 其中，Kp2和Ki2分别为比例系数和积分系数，本实施方式中，Kp2= 3，Ki2= 0.07。
[0096] (5)根据以下公式，对有零序电流误差ize"进行PR调节得到零序电压误差，使零 序电压补偿量△uz减去零序电压误差，即得到零序电压指令uz;
[0097]
[0098] 其中，Kp3和I^分别为比例系数和谐振系数，《。为截止频率，本实施方式中，Kp3= 5,Kr= 0. 1, ? c= 2rad/s, ? 〇= 3 ? 〇
[0099] A4.根据求得的有功轴电压指令uq、无功轴电压指令ud和零序电压指令uz构造变 流器J1和J2的PWM信号：
[0100] (1)将得到有功轴电压指令uq和无功轴电压指令ud按照大小相同方向相反的原 则分配给两组变流器，即Ui=(Ud+Uqj)/%U2=-(Ud+Uqj)/^。其中叫和U2分别为变流器 1和变流器2的调制电压指令。
[0101] ⑵按照传统的SVPWM调制方式，根据转子位置角0y叫和uq判断变流器1和变 流器2的调制电压指令所在扇区，选择合适的有效矢量组合，并实时计算得到变流器1和变 流器2各自的有效矢量作用时间。对于变流器1，当七位于不同扇区时，有效矢量100,110， 010,011，001，101的作用时间分别记作 11(|，_，Q11，1Q1。相对应的，对于 变流器2,当112位于不同扇区时，有效矢量100,110,010,011，001，101的作用时间分别记作 rp rp rp rp rp rp !2-100， 12-110， 12-010， 12-011， 12-001， 12-1010
[0102] (3)根据变流器1和变流器2的有效矢量作用时间，零序电压指令^，直流母线电 压Ud。，计算出一个开关周期1；内变流器1和变流器2的零电压矢量000和111的作用时 间Tu。。，Tljn，T2__，T2J11。其具体实现方式如下：
[0103] 如图6所示，当七位于扇区1时，有效矢量为100和110 ;此时，由于方向相反，u2 位于扇区4,有效矢量为001和011。记AT为零矢量调整值，有：
[0109] 当七位于扇区2时，有效矢量为110和010 ;此时，由于方向相反，112位于扇区5， 有效矢量为001和101。有：
[0114]
[0115] 当七位于扇区3时，有效矢量为010和Oil;此时，由于方向相反，112位于扇区6， 有效矢量为1〇〇和101。有：... >[0121] 当七位于扇区4时，有效矢量为001和011 ;此时，由于方向相反，112位于扇区1， 有效矢量为1〇〇和110。有：
[0127] 当七位于扇区5时，有效矢量为001和101 ;此时，由于方向相反，112位于扇区2， 有效矢量为110和010。有：

[0133] 当七位于扇区6时，有效矢量为101和100 ;此时，由于方向相反，112位于扇区3， 有效矢量为〇1〇和011。有：
[0139] 以下，我们对本实施方式进行实验验证，永磁电机的参数如表1所示：
[0140] 表 1
[0141]
[0142]

[0143] 图7~图10为采用本实施方式对共直流母线开绕组永磁电机系统控制的实验波 形图，此时，系统目标功率为1000W，机械转速为32转/分钟。从实验结果可以得出，共直流 母线永磁电机系统，在不采用本发明方法的情况下，电流波形中含有很大成分的三次谐波， 高达77. 81 %;加入本发明所设计的零序电压补偿器后，三次电流大幅度减小，只有4. 39%。 对比PWM信号可以看出，本发明有效的调节了零矢量作用时间，从而调节了零序电压。实验 结果表明，本发明所提出的系统和控制方法能够很好的抑制零序电流，使系统高效且稳定 运行。
【主权项】
1. 一种计及三次谐波反电势抑制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法，包 括如下步骤： (1) 采集所述永磁电机系统的端电压、相电流、公共的直流母线电压Ud。、电机转速ω以 及转子位置角Θ !·; (2) 利用所述的转子位置角吣对相电流进行dqO坐标旋转变换，得到相电流的d轴分 量id、q轴分量iq和0轴分量i z; (3) 根据所述的电机转速ω以及相电流的d轴分量id，q轴分量i,和0轴分量i z，计 算出永磁电机系统的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Auq、无功轴电压补偿量Au d和零 序电压补偿量Δ uz; (4) 根据所述的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Aiv无功轴电压补偿量Aud和零 序电压补偿量△ Uz，通过基于无功轴电流为零的矢量控制算法计算出有功轴电压指令IV 无功轴电压指令Ud以及零序电压指令u z; (5) 对所述的有功轴电压指令u,和无功轴电压指令u ,进行分配，得到永磁电机系统中 两台变流器各自的调制电压矢量； 对于任一台变流器，利用SVPWM算法确定其调制电压矢量所在的扇区以及该扇区对应 两个有效矢量的作用时长；进而根据所述的零序电压指令Uz和直流母线电压U d。，计算出该 变流器两个零矢量的作用时长； 根据所述的两个有效矢量及其对应的作用时长以及两个零矢量及其对应的作用时长， 构造得到一组PWM信号以对该变流器进行控制。2. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（3)中根据以下算式计 算永磁电机系统的实际输出功率P、有功轴电压补偿量△!!,、无功轴电压补偿量Au d和零序 电压补偿量Auz;其中：1^和Lq分别为永磁电机的直轴电感和交轴电感，Ψ 1?和Ψ &分别为永磁电机转子 磁链的基波分量和三次谐波分量。3. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（4)中基于无功轴电流 为零的矢量控制算法，具体过程如下： 4. 1使预设的目标输出功率PMf减去所述的实际输出功率Ρ，得到功率误差P 4. 2对所述的功率误差Pm进行PI调节得到有功轴电流指令I ,，同时令无功轴电流指 令1<!和零序电流指令I 2均为零； 4. 3使无功轴电流指令Id、有功轴电流指令Iq和零序电流指令I z分别减去相电流的d 轴分量id、q轴分量和〇轴分量i z，得到无功轴电流误差idOT、有功轴电流误差和零 序电流误差ize"; 4. 4分别对所述的有功轴电流误差和无功轴电流误差i 进行PI调节得到有功 轴电压误差Uqm和无功轴电压误差u dOT;使所述的有功轴电压补偿量Λ u q和无功轴电压补 偿量Δ ud分别减去有功轴电压误差u 和无功轴电压误差u ，即得到有功轴电压指令u, 和无功轴电压指令ud; 4. 5对所述的零序电流误差iz_进行PR调节得到零序电压误差u z_;使所述的零序电 压补偿量△ Uz减去零序电压误差u ，即得到零序电压指令uz。4. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（5)中按照大小相同方 向相反的原则对有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令U d进行分配，即U1= (ud+uqj)/2, U2 =-(ud+U(1j)/2 ;其中，IidPu 2分别为两台变流器各自的调制电压矢量，j为虚数单位。5. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（5)中根据零序电压指 令Uz和直流母线电压U d。，通过以下规则计算出变流器两个零矢量的作用时长： 当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第一扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为100和110 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第四扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为001和011 ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第二扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为110和010 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第五扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为001和101 ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第三扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为OlO和Oll ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第六扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为100和101 ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第四扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为001和011 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第一扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为100和110 ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第五扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为001和101 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第二扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为110和OlO ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：当其中一台变流器Al的调制电压矢量U1位于第六扇区，该扇区对应的两个有效矢量 分别为101和100 ;此时，由于方向相反，另一台变流器A2的调制电压矢量U2位于第三扇 区，该扇区对应的两个有效矢量分别为010和011 ;则通过以下算式计算出每台变流器两个 零矢量的作用时长：其中：TS为变流器中功率开关器件的开关周期，T H1JPTi cicici分别为变流器Al两个零 矢量111和000对应的作用时长，T2 m和T 2 _分别为变流器A2两个零矢量111和000对 应的作用时长，T1 1QQ、T1 Q11、T1 11Q、T1 QQ1、T1 1(11和T i _分别为变流器Al六个有效矢量100、 011、110、001、101 和 010 对应的作用时长，T2 1QQ、T2 Q11、T2 11Q、T2 QQ1、T2 1(11和 T 2 _分别为变 流器A2六个有效矢量100、011、110、001、101和010对应的作用时长。
【专利摘要】本发明公开了一种计及三次谐波反电势抑制共母线开绕组永磁电机系统零序电流的控制方法，该电机系统基于开绕组结构的永磁同步发电机，采用共直流母线结构，通过设计零序电流控制闭环并采用改进SVPWM调制方法达到抑制零序电流的目的，该系统只涉及一个直流电源且不需要隔离，抑制零序电流只是在控制算法上改动，不需要增加系统硬件成本。本发明提出的系统和控制方法相比于传统的结构，减小了系统复杂度，降低了成本，很好的解决了永磁体反电势含有三次谐波引起的零序电流的问题。
【IPC分类】H02P21/00
【公开号】CN104883108
【申请号】CN201510246427
【发明人】周义杰, 年珩
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月14日