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

本发明专利技术公开了一种基于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，该控制方法利用开绕组发电机结构以及两组变流器实现了电机控制四电平的调制效果，减小了输出电流谐波，降低了变流器的容量以及器件的电压应力，保证了系统的正常稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电机控制
，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。
技术介绍
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。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。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：(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。(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。(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。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。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种基于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。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，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；所述的控制方法包括如下步骤：(1)采集电机的三相定子电压ua～uc和三相定子电流ia～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ω和转子位置角θr；(2)利用所述的转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行dq0坐标变换，得到对应dq0坐标系下的d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz；(3)根据所述的转速ω以及d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz，计算出电机的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿量Δud和零序电压补偿量Δuz；(4)根据所述的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿量Δud和零序电压补偿量Δuz，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；(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Udc2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；(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u1＝(ud+juq)/3，变流器J2的调制电压矢量为u2＝2(ud+juq)/3，j为虚数单位；(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uz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。所述的步骤(3)中通过以下公式计算电机的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿量Δud和零序电压补偿量Δuz： P e = 3 2 ω [ L q i q i d + ( ψ r - L d i d ) i q - 6 ψ 3 r 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，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；所述的控制方法包括如下步骤：(1)采集电机的三相定子电压ua～uc和三相定子电流ia～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ω和转子位置角θr；(2)利用所述的转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行dq0坐标变换，得到对应dq0坐标系下的d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz；(3)根据所述的转速ω以及d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz，计算出电机的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿量Δud和零序电压补偿量Δuz；(4)根据所述的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿量Δud和零序电压补偿量Δuz，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；(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Udc2之间的误差，并对该误差进行PI调节，得到Z源变流器直通零矢量的作用时间Tsh；(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u1＝(ud+juq)/3，变流器J2的调制电压矢量为u2＝2(ud+juq)/3，j为虚数单位；(7)对于变流器J1和J2中的任一台变流器，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电压矢量的作用时长；进而根据所述的零序电压指令uz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。...

【技术特征摘要】
1.一种基于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，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；
所述的控制方法包括如下步骤：
(1)采集电机的三相定子电压ua～uc和三相定子电流ia～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ω和转子位置角θr；
(2)利用所述的转子位置角θr对三相定子电流ia～ic进行dq0坐标变换，得
到对应dq0坐标系下的d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz；
(3)根据所述的转速ω以及d轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流
分量iz，计算出电机的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补
偿量Δud和零序电压补偿量Δuz；
(4)根据所述的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补
偿量Δud和零序电压补偿量Δuz，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；
(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Udc2之间的误差，并对该误差进行PI调节，得到Z源变流器直通
零矢量的作用时间Tsh；
(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u1＝(ud+juq)/3，变流器J2的调制电压矢量为
u2＝2(ud+juq)/3，j为虚数单位；
(7)对于变流器J1和J2中的任一台变流器，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电压矢量的作用时长；进而根
据所述的零序电压指令uz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

\t开关器件进行控制。
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)中通过
以下公式计算电机的实际输出功率Pe、有功轴电压补偿量Δuq、无功轴电压补偿
量Δud和零序电压补偿量Δuz：
P e = 3 2 ω [ L q i q i d + ( ψ r - L d i d ) i q - 6 ψ 3 r s i n ( 3 θ r ) i z ] ]]> Δu d = ωL q i q Δu q = ωψ r - ωL d i d Δu z = - 3 ωψ 3 r s i n 3 θ r ]]>其中：Ld和Lq分别为电机的直轴电感和交轴电感，Ψr和Ψ3r分别为电机转子磁
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Pref减去所述的实际输出功率Pe，得到功率误差
Perr；
4.2对所述的功率误差Perr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Iz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Iz分别减去d
轴电流分量id、q轴电流分量iq和0轴电流分量iz，得到无功轴电流误差iderr、
有功轴电流误差iqerr和零序电流误差izerr；
4.4分别对所述的有功轴电流误差iqerr和无功轴电流误差iderr进行PI调节得
到有功轴电压误差uqerr和无功轴电压误差uderr；使所述的有功轴电压补偿量Δuq和无功轴电压补偿量Δud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；
4.5对所述的零序电流误差izerr进行PR调节得到零序电压误差uzerr；使所述
的零序电压补偿量Δuz减去零序电压误差uzerr，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(7)中计算
变流器两个零矢量的作用时长，具体方法如下：
当变流器J1的调制电压矢量u1位于第一扇区，即调制电压矢量u1的方向

\t角∈[-π/6,π/6)，该扇区对应的两个有效电压矢量分别为V1(100)和V2(110)；此时
由于方向相反，变流器J2的调制电压矢量u2位于第四扇区，该扇区对应的两个
有效电压矢量分别为V4(011)和V5(001)；由此则通过以下算式计算变流器J1和
J2各自两个零矢量的作用时长：
Δ T = u z 2 U d c T s + T 2 _ 001 3 + 2 T 2 _ 011 3 - T 1 _ 100 6 - T 1 _ 110 3 ]]> T 1 _ 111 = 1 2 ( T s - T 1 _ 100 - T 1 _ 110 ) + Δ T ]]> T 1 _ 000 = 1 2 ( T s - T 1 _ 100 - T 1 _ 110 ) - Δ T ]]> T 2 _ 111 = 1 2 ( T s - T 2 _ 001 - T 2 _ 011 - T s h ) + Δ T ]]> T 2 _ 000 = 1 2 ( T s - T 2 _ 001 - T 2 _ 011 - T s h ) - Δ T ]]>当变流器J1的调制电压矢量u1位于第二扇区，即调制电压矢量u1的方向
角∈[π/6,π/2)，该扇区对应的两个有效电压矢量分别为V2(110)和V3(010)；此时
由于方向相反，变流器J2的调制电压矢量u2位于第五扇区，该扇区对应的两个
有效电压矢量分别为V5(001)和V6(101)；由此则通过以下算式计算变流器J1和
J2各自两个零矢量的作用时长：
Δ T = u z 2 U d c T s + T 2 _ 001 3 + 2 T 2 _ 101 3 - T 1 _ 010 6 - T 1 _ 110 3 ]]> T 1 _ 111 = 1 2 ( T s - T 1 _ 010 - T 1 _ 110 ) + Δ T ]]> T 1 _ 000 = 1 2 ( T s - T 1 _ 010 - T 1 _ 110 ) - Δ T ]]> T 2 _ 111 = 1 2 ( T s - T 2 _ 001 - T 2 _ 101 - T s h ) + Δ T ]]> T 2 _ 000 = 1 2 ( T s - T 2 _ 001 - T 2 _ 101 - T s h ) - Δ T ]]>当变流器J1的调制电压矢量u1位于第三扇区，即调制电压矢量u1的方向
角∈[π/2,5π/6)，该扇区对应的两个有效电压矢量分别为V3(010)和V4(011)；此

\t时由于方向相反，变流器J2的调制电压矢量u2位于第六扇区，该扇区对应的两
个有效电压矢量分别为V6(101)和V1(100)；由此则通过以下算式计算变流器J1
和J2各自两个零矢量的作用时长：
Δ T = u z 2 U d c T s + T 2 _ 100 3 + 2 T 2 _ 101 3 - T 1 _ 010 6 - T 1 _ 011 3 ]]> T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：年珩，周义杰，何峪嵩，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33