一种基于z源和电压源变流器协同供电的开绕组永磁同步电机的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于Z源和电压源变流器协同供电 的开绕组永磁同步电机的控制方法。
【背景技术】
[0002] 永磁电机具有结构简单、功率密度高、效率高、结构灵活多样等优点，随着驱动技 术的不断进步与发展，其应用已遍及航空航天、国防、工农业生产以及日常生活的各个领 域。近年来，随着材料性能、设计技术和工艺水平的日益提高，永磁电机的功率等级正逐渐 增大，在能源、工业和交通运输等领域已得到了大量应用。例如，在风力发电、新能源汽车、 高速铁路、船舶推进、多电飞机及舰船全电驱动和矿山机械等应用场合，永磁电机都具有极 为强大的竞争力和广阔的应用前景。
[0003] 随着永磁电机系统容量的增大，永磁电机所使用的全功率变流器容量也会随之增 加。受开关器件的限制，大功率变流器不仅成本昂贵，运行性能及可靠性也难以满足实际运 行需求。此外，一套变流器控制一台电机的运行方式也限制了永磁电机控制技术的发展及 其运行性能的进一步提升。
[0004] 为突破现有电机结构的局限性，提高永磁电机系统包括转矩平稳、弱磁能力、容错 运行以及降低开关器件应力等在内的运行性能，开绕组永磁电机作为一种新型永磁电机拓 扑结构，得到了广泛的研究和关注。相对于传统绕组结构的永磁电机，开绕组永磁电机系统 的优点表现为如下：
[0005] (1)通过两组变流器对电机进行控制，增加了变流器控制的灵活度，也降低了系统 对变流器开关器件的容量要求，提高了开绕组永磁电机系统运行的稳定性及可靠性。
[0006] (2)在开绕组电机系统中，两个变流器输出的电压矢量叠加后在电机绕组上可产 生多电平的调制效果，可有效抑制电流谐波。
[0007] (3)由于使用了两组变流器进行控制，其电压矢量分配机制更为灵活复杂，相对于 普通电机的容错运行，开绕组永磁电机表现为更高的容错自由度。由此可见，开绕组永磁电 机系统的研究具有重要的工程价值与实际意义。
[0008] 传统的开绕组永磁同步电机系统结构如图1所示，其主要由电机以及两组电压源 型变流器组成，其典型拓扑结构中两组变流器可使用隔离直流母线和共直流母线两种结 构，图1中以两电平变流器结构示例。在隔离直流母线结构中，如图1(a)所示，通过直流电源 1和直流电源2的电压幅值比例调节和两个变流器的协调控制，不仅可以灵活控制两个变流 器上流过的功率，也可以在开绕组永磁电机实现三电平、四电平等更高电平数的控制，减少 电流谐波，改善转矩平稳性能。但由于隔离直流母线的开绕组电机系统需要两条电气隔离 的直流母线，使系统结构复杂、成本增加，特别是难以用于只有单个电源供电的场合。共直 流母线结构可较好地解决了这一问题，使开绕组电机系统结构得到简化，如图1(b)所示。然 而由于此时两直流母线并联，系统存在零序电流回路，两个变流器在电机端部产生的共模 电压使得电机产生零序电流，需在电机控制系统中加入额外的零序回路控制环节以抑制零 序电流。共直流母线结构作为开绕组永磁电机最具前景的变流拓扑结构，对其运行原理和 控制策略的研究具有重要的理论意义和实际价值。但由于此时两个变流器直流电压相同， 如果不增加变流器本身的电平数，无法在共直流母线下实现开绕组永磁电机更高电平的控 制。
【发明内容】
[0009] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于Z源和电压源变流 器协同供电的开绕组永磁同步电机的控制方法，能够在只有单组直流母线的基础上，利用Z 源和电压源变流器的协同控制，实现更高电平的控制效果，进而减少相应的输出电流谐波。
[0010] -种基于Z源和电压源变流器协同供电的开绕组永磁同步电机的控制方法，所述 的开绕组永磁同步电机由两台变流器J1和J2励磁供电，变流器J1和J2采用公共的直流母 线，电机的三相定子绕组一侧接变流器J1，另一侧接变流器J2;其中，变流器J1采用电压源 型变流器，变流器J2采用Z源变流器；
[0011] 所述的控制方法包括如下步骤：
[0012] (1)采集电机的三相定子电压Ua~Uc和三相定子电流i a~ic、变流器J1和J2的公共 直流母线电压Udc以及Z源变流器的升压侧母线电压Udc2,通过编码器检测得到电机的转速 和转子位置角
[0013] ⑵利用所述的转子位置角0:对三相定子电流ia~ic进行dqO坐标变换，得到对应 dqO坐标系下的d轴电流分量i d、q轴电流分量i q和0轴电流分量i z;
[0014] (3)根据所述的转速《以及d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量i z，计算 出电机的实际输出功率匕、有功轴电压补偿量A uq、无功轴电压补偿量A ud和零序电压补偿 量 A uz;
[0015] (4)根据所述的实际输出功率、有功轴电压补偿量A Uq、无功轴电压补偿量A ud 和零序电压补偿量A 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 ;
[0016] (5)将Z源变流器的升压侧母线电压参考值设为2Udc，通过计算参考值2Udc与实际 值Ud c2之间的误差，并对该误差进行PI(比例积分）调节，得到Z源变流器直通零矢量的作用 时间Tsh;
[0017] (6)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:使变流器J1的调制 电压矢量为111=(11〇1+加( 1)/3，变流器12的调制电压矢量为112 = 2(11〇1+加(1)/3，」为虚数单位；
[0018] (7)对于变流器J1和J2中的任一台变流器，利用SVPWM(空间矢量脉宽调制)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电压矢量的作用时长;进而根据所 述的零序电压指令u z通过补偿直通零矢量的作用时间Tsh，计算出该变流器两个零矢量的作 用时长;最后，根据该变流器两个有效电压矢量以及两个零矢量的作用时长，构造出相应的 三相开关信号经驱动放大后对该变流器中的功率开关器件进行控制。
[0019] 所述的步骤(3)中通过以下公式计算电机的实际输出功率、有功轴电压补偿量 A Uq、无功轴电压补偿量A Ud和零序电压补偿量A Uz:
[0022] 其中：Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Wr和W3r分别为电机转子磁链的 基波分量和三次谐波分量。
[0023] 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：
[0024] 4.1使预设的目标输出功率Prrf减去所述的实际输出功率Pe，得到功率误差
[0025] 4.2对所述的功率误差进行PI调节得到有功轴电流指令Iq，同时令无功轴电流 指令Id和零序电流指令1 2均为零；
[0026] 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12分别减去d轴电流 分量id、q轴电流分量i q和0轴电流分量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
[0027] 4.4分别对所述的有功轴电流误差iqCTr和无功轴电流误差id^进行PI调节得到有 功轴电压误差u qe5rr和无功轴电压误差Udm;使所述的有功轴电压补偿量A uq和无功轴电压 补偿量A Ud分别减去有功轴电压误差Uqerr和无功轴电压误差Uderr，即得到有功轴电压指令 Uq和无功轴电压指令Ud;
[0028] 4.5对所述的零序电流误差匕(^进行?以比例谐振)调节得到零序电压误差112(^;使 所述的零序电压补偿量A UZ减去零序电压误差I