一种抑制共母线单边可控开绕组永磁电机系统电流过零点波动的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种抑制共母线单边可控开绕组永磁电 机系统电流过零点波动的控制方法。
【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。风能蕴藏量 巨大，全球的风力发电连续多年来保持快速、持续的增长。由于铝镍钴、铁氧体和钕铁硼等 高磁能密度的永磁材料的出现，使永磁电机得到了空前的发展和壮大。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，逐步发展成为各大风电场 上的主流机型。
[0003] 对于传统的永磁同步风电系统结构来说，需要全功率的变流器才能保证系统的正 常运行。近年来，开绕组电机结构被提出以减小开关管应力（如图1所示）。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以实现能量的转 换。与此同时，开绕组结构系统能实现三电平控制，有益于提高了电机的电压等级，并且减 小了电压调制的谐波含量。
[0004] 然而，在开绕组结构的电机控制系统当中，控制器需要对更多的开关器件进行开 关控制，一方面加大了控制系统的复杂性，另一方面对控制信号实时性有了更高的要求。为 降低开绕组电机系统的复杂性，一种单边可控开绕组电机系统被提出（如图2所示），即采 用一组二极管整流桥与一组电压源型变流器接至开绕组电机两端。由于该拓扑可控开关器 件数量为传统开绕组PMSG系统的一半，从而减少了系统控制的复杂度。
[0005] 但对于这种单边可控开绕组电机系统而言，在共直流母线的情况下，电流谐波会 随着功率因数角的增大而增大。当存在一定功率因数角时，每相电流会在过零点波动一段 时间以保持与电压的相同极性。这种过零点波动现象，会造成二极管的不断开通关断，这会 从一定程度上增加二极管的开关损耗，还会给整个系统带来很大的电磁干扰（EMI)。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种抑制共母线单边可控开 绕组永磁电机系统电流过零点波动的控制方法，能够有效抑制电流的过零点波动，减小开 关损耗与系统EMI，结构简单，成本低，抗干扰能力强。
[0007] -种抑制共母线单边可控开绕组永磁电机系统电流过零点波动的控制方法，包括 如下步骤：
[0008] (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;
[0009] (2)利用所述的转子位置角0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和〇轴分量iz;
[0010] (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ijPO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Auq、无功轴电压补偿量Aud和 零序电压补偿量Auz;
[0011] (4)根据所述的实际输出功率P、有功轴电压补偿量Auq和无功轴电压补偿量 Aud，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和无功轴电压指 令ud;
[0012] (5)根据所述的有功轴电压指令Uq和无功轴电压指令ud计算出零序电流参考值 Iz;进而根据所述的零序电流参考值12和〇轴分量iz通过比例谐振控制，计算得到零序电 压指令uz;
[0013] (6)根据所述的相电流确定永磁电机系统中不控型变流器交流侧的相电压，并对 所述的相电压进行dqO坐标旋转变换，得到相电压的d轴分量ud2、q轴分量Uq2和0轴分量 uz2;进而使所述的d轴分量ud2、q轴分量Uq2和0轴分量uz2对应与无功轴电压指令ud、有功 轴电压指令Uq和零序电压指令\相加，得到永磁电机系统中可控型变流器的无功轴电压指 令Udl、有功轴电压指令Uql和零序电压指令Uzl;
[0014] (7)根据所述的无功轴电压指令udl和有功轴电压指令uql，利用SVPWM(空间电压 矢量调制）算法确定所述可控型变流器的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1^和直流母线电压Ud。，计算出可控型 变流器两个零矢量的作用时长；
[0015] 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信号以对可控型变流器进行控制。
[0016] 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Auz;
【主权项】
1. 一种抑制共母线单边可控开绕组永磁电机系统电流过零点波动的控制方法，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Θ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Aud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Au,和无功轴电压补偿量Aud，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和无功轴电压指令u d; (5) 根据所述的有功轴电压指令u,和无功轴电压指令u ,计算出零序电流参考值I ,;进 而根据所述的零序电流参考值12和〇轴分量i z通过比例谐振控制，计算得到零序电压指令 uz; (6) 根据所述的相电流确定永磁电机系统中不控型变流器交流侧的相电压，并对所述 的相电压进行dqO坐标旋转变换，得到相电压的d轴分量ud2、q轴分量Uq2和0轴分量u z2;进而使所述的d轴分量ud2、q轴分量uq2和0轴分量u z2对应与无功轴电压指令u d、有功轴 电压指令Uq和零序电压指令^相加，得到永磁电机系统中可控型变流器的无功轴电压指令 Udl、有功轴电压指令Uql和零序电压指令U zl; (7) 根据所述的无功轴电压指令Udl和有功轴电压指令u ql，利用SVPWM算法确定所述可 控型变流器的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Uzl和直流母线电压U d。，计算出可控型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信号以对可控型变流器进行控制。
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Aud和零序 电压补偿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P，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Id为零； 4. 3使无功轴电流指令Id和有功轴电流指令I ,分别减去相电流的d轴分量i d和q轴 分量，得到无功轴电流误差idOT和有功轴电流误差i 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. 根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（5)中通过以下算式计 算零序电流参考值Iz:
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)中比例谐振控制的 具体计算过程如下： 首先，使所述的零序电流指令Iz减去相电流的〇轴分量i z，得到零序电流误差izm; 然后，对所述的零序电流误差izm进行PR调节得到零序电压误差u ζε"; 最后，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。
6. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（6)中通过以下关系式 确定永磁电机系统中不控型变流器交流侧的相电压：
其中：ua2~u。2分别为不控型变流器交流侧的A相电压、B相电压和C相电压，i a~i。 分别为永磁电机系统的A相电流、B相电流和C相电流。
7. 根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述的步骤（7)中根据所述的零序 电压指令Uzl和直流母线电压U d。，通过以下规则计算出可控型变流器两个零矢量的作用时 长； 当可控型变流器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 100和110 ;此时，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp rp rp rp rp 1〇00 - ^ S-MOO-MIO-MIi 当可控型变流器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 010和110 ;此时，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp rp rp rp rp 1〇00 - ^ s_^010_M10_Mll 当可控型变流器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，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp _ rp rp rp rp 1〇〇〇 - I s_l〇io_l〇ii_lm 当可控型变流器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011 ;此时，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp _ rp rp rp rp 1〇〇〇 - I s_l〇oi_l〇ii_lm 当可控型变流器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，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp _ rp rp rp rp 1〇00 - ^ s_^001_M01_Mll 当可控型变流器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 100和101 ;此时，通过以下算式计算出可控型变流器两个零矢量的作用时长：
rp _ rp rp rp rp ^000 - ^ S-MOO-MOI-MIi 其中：1；为变流器中功率开关器件的开关周期，T nJP T _分别为可控型变流器两个零 矢量111和000对应的作用时长，!^、!^、!^、!^、!^和T _分别为可控型变流器六个有 效矢量1〇〇、〇11、11〇、〇〇1、1〇1和010对应的作用时长。
【专利摘要】本发明公开了一种抑制共母线单边可控开绕组永磁电机系统电流过零点波动的控制方法，本发明电机系统采用共直流电源结构，通过设计适当的零序电流参考值，并采用比例谐振控制器达到电流快速过零的目的，该系统采用一个全控变流器和一个不控变流器，降低了成本的同时增加了系统的容量，且只涉及一个直流电源且不需要隔离，实现电流快速过零。只是在控制算法上改动，不需要增加系统硬件成本。相比于传统的控制方法，本发明减小了电流过零点波动，降低了功率二极管的开关次数，降低了系统的EMI，控制方法简单，且抗干扰能力强。
【IPC分类】H02P21-00
【公开号】CN104852657
【申请号】CN201510245194
【发明人】年珩, 周义杰
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月14日