基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，该方法采用模块化多电平变换器驱动高速永磁同步电机，采用载波移相PWM调制得到模块化多电平变换器的驱动信号，将模块化多电平变换器内部桥臂间内部环流的二次谐波分量和四倍谐波分量，通过二倍频和四倍频负序旋转坐标变换，建立dq坐标下环流模型，通过环流抑制控制将交流环流分解为直流分量，并分别加以抑制；通过直流母线电压控制保持模块化多电平变换器母线电压稳定性。本发明专利技术能够根据场合需要进行扩展并能降低器件规格要求，减少谐波，消除模块化多电平变换器内部环流中的主要分量，减小子模块电容电压波动范围，降低系统损耗，实现高速永磁同步电机多电平驱动下稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电机驱动控制领域，尤其是一种基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法。
技术介绍
与传统电机相比，高速电机无需借助复杂、维护困难的变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，因此在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。与三相电机相比，多相电机具有转矩密度高、效率高、转速脉动小和容错能力强等突出优点。高速永磁电机(HighSpeedPermanentMagnetMachines,HSPMMs)凭借其效率和功率密度高的优势，应用潜力极大，它涵盖了各种功率等级的场合，已成为当前国内外电机领域的一个研究热点。而多相高速永磁电机兼备多相电机和永磁电机的双重优点，具有更大的潜在优势。在中高压大功率领域，多电平变换器以其独特的优势得到越来越广泛的应用。多电平变换器可以在不增加开关器件承受电压的基础上增加电压电平，在相同的开关频率下降低输出波形的谐波，还可以减小输出电压的变化率du/dt，这些对大功率高速电机而言都非常有益。模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter，MMC)是一种新型的多电平变换器，具有高度模块化结构，效率高，便于扩展系统电压和容量，实现工业化生产；无需多路隔离的直流电压、变压器和大容量滤波装置，降低了系统损耗；用低耐压开关器件实现高压多电平输出，输出波形更接近正弦波，器件平均开关频率低，降低了开关损耗；具有公共直流母线，适合高压DC/AC变换；可靠性高，且具有良好的不平衡运行能力，易于实现冗余控制。烦请在此处补充现有技术中通常采用哪种类型的逆变器驱动电机，现有的驱动方式具有哪些缺点。
技术实现思路
专利技术目的：针对中高压大功率高速永磁同步电机控制系统，本专利技术提出一种基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法。该方法对现有的驱动方式进行改进，逆变器部分采用模块化多电平变换器，采用载波移相调制策略，驱动高速永磁同步电机，通过环流抑制控制降低模块化多电平变换器内部环流，使用直流母线电压控制在保证逆变器稳定输入的前提下，降低对驱动器件硬件资源的要求，降低电压电流谐波。技术方案：本专利技术提出的技术方案为：基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，该方法通过模块化多电平变换器驱动三相高速永磁电机；该方法采用载波移相PWM调制得到模块化多电平变换器的驱动信号，包括步骤：(1)在第k个周期内，测量三相高速永磁电机各相定子电流：ia、ib和ic，定义ia、ib和ic所在坐标系为Tabc；对ia、ib和ic依次进行Clarke变换和Park变换，将ia、ib和ic转换为旋转坐标系Tdq下一对正交的电流分量：id和iq；其中，id为旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量，iq为旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量；(2)设置模块化多电平变换器输入侧直流母线电压参考值为udcref，三相高速永磁电机转速参考值为nref；采集模块化多电平变换器输入侧直流母线电压udc和三相高速永磁电机的转速n，计算Δu＝udcref-udc、Δn＝nref-n；分别以Δu和Δn做为PI控制器的输入值，将Δu对应的PI控制器的输出值idref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量参考值，将Δn对应的PI控制器的输出值iqref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量参考值；(3)计算Δid＝idref-id，Δiq＝iqref-iq，分别将Δid和Δiq经PI控制器转换为校正电压Vd和Vq；根据变换角θ采用Park逆变换将校正电压Vd和Vq逆变到静止参考坐标系Tαβ下，形成两个正交的电压分量vα和vβ；对vα和vβ进行Clarke逆变换得到坐标系Tabc下的三相校正电压va、vb和vc；(4)根据步骤(3)得到的三相校正电压va、vb和vc计算第k+1个周期的PWM占空比，以生成第k+1个周期的谐波抑制SPWM调制信号，谐波抑制SPWM调制信号即为模块化多电平变换器的驱动信号。进一步的，所述模块化多电平变换器具有3相，每相由上桥臂、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器和下桥臂依次串联形成，每相中上、下桥臂电抗器的连接点作为该相的输出节点并与高速永磁电机相应的输入端相连；上、下桥臂各包括N个串联的子模块。进一步的，所述子模块为半桥结构，由两个绝缘栅双极型晶体管串联后再与直流电容并联构成，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个二极管。进一步的，所述步骤(2)中，模块化多电平变换器输入侧直流母线电压参考值udcref的计算方法为：(2-1)根据模块化多电平变换器第i相上、下桥臂上的电流计算第i相的环流：iiZ=12(ipi+ini),i∈[1,2,3]]]>式中，iiZ表示模块化多电平变换器第i相的环流，ipi和ini分别表示第i相上桥臂电流和下桥臂电流；(2-2)将iiZ表示为：iiZ=Idc3+IiZ2(sin2ωt+δ2)+IiZ4(sin4ωt+δ4);]]>式中，Idc表示模块化多电平变换器输入侧直流母线电流，IiZ2(sin2ωt+δ2)表示iiZ中的二倍频谐波分量，IiZ4(sin4ωt+δ4)表示iiZ中的四倍频谐波分量；IiZ2和IiZ4分别为二倍频谐波分量和四倍频谐波分量的幅值，δ2和δ4分别为二倍频谐波分量和四倍频谐波分量的相角；(2-3)将iiZ中的二倍频谐波分量和四倍频谐波分量分别经过Clarke变换和Park变换分解为一组正交的电流分量：iZd2、iZq2和iZd4、iZq4；其中，iZd2、iZq2分别为iiZ中的二倍频谐波分量在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量和q轴电流分量；iZd4、iZq4分别为iiZ中的四倍频谐波分量在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量和q轴电流分量；(2-4)定义d、q轴电流分量的参考值分别为iZd_ref和iZq_ref，令iZd_ref＝0，iZq_ref＝0；分别计算：Δid2＝iZd_ref-iZd2Δiq2＝iZq_ref-iZq2Δid4＝iZd_ref-iZd4Δiq4＝iZq_ref-iZq4分别以Δid2、Δiq2、Δid4、Δiq4作为PI控制器的输入量，得到对应的PI控制器输出电压为：Δud2、Δuq2、Δud4、Δuq4；根据Δud2、Δuq2、Δud4、Δuq4分别计算：uZd2_ref＝Δud2+iZq2×2ωL0uZq2_ref＝Δuq2-iZd2×2ωL0uZd4_ref＝Δud4+iZq4×4ωL0uZq4_ref＝Δuq4-iZd4×4ωL0式中，uZd2_ref、uZq2_ref、uZd4_ref、uZq4_ref分别为iiZ中的二倍频谐波分量和四倍频谐波分量在旋转坐标系Tdq中的d轴电压分量参考值和q轴电压分量参考值；(2-5)对uZd2_ref、uZq2_ref进行Park逆变换和Clarke逆变换，得到坐标系Tabc中iiZ的二倍频谐波分量抑制电压uiZ2_ref；对uZd4_ref、uZq4_ref进行Park逆变换和Clarke逆变换，得到坐标系Tabc中iiZ的四倍频谐波分量本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，其特征在于，该方法通过模块化多电平变换器驱动三相高速永磁电机；该方法采用载波移相PWM调制得到模块化多电平变换器的驱动信号，包括步骤：(1)在第k个周期内，测量三相高速永磁电机各相定子电流：ia、ib和ic，定义ia、ib和ic所在坐标系为Tabc；对ia、ib和ic依次进行Clarke变换和Park变换，将ia、ib和ic转换为旋转坐标系Tdq下一对正交的电流分量：id和iq；其中，id为旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量，iq为旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量；(2)设置模块化多电平变换器输入侧直流母线电压参考值为udcref，三相高速永磁电机转速参考值为nref；采集模块化多电平变换器输入侧直流母线电压udc和三相高速永磁电机的转速n，计算Δu＝udcref‑udc、Δn＝nref‑n；分别以Δu和Δn做为PI控制器的输入值，将Δu对应的PI控制器的输出值idref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量参考值，将Δn对应的PI控制器的输出值iqref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量参考值；(3)计算Δid＝idref‑id，Δiq＝iqref‑iq，分别将Δid和Δiq经PI控制器转换为校正电压Vd和Vq；根据变换角θ采用Park逆变换将校正电压Vd和Vq逆变到静止参考坐标系Tαβ下，形成两个正交的电压分量vα和vβ；对vα和vβ进行Clarke逆变换得到坐标系Tabc下的三相校正电压va、vb和vc；(4)根据步骤(3)得到的三相校正电压va、vb和vc计算第k+1个周期的PWM占空比，以生成第k+1个周期的谐波抑制SPWM调制信号，谐波抑制SPWM调制信号即为模块化多电平变换器的驱动信号。...

【技术特征摘要】
1.基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，其特征在于，该方法通过模块化多电平变换器驱动三相高速永磁电机；该方法采用载波移相PWM调制得到模块化多电平变换器的驱动信号，包括步骤：(1)在第k个周期内，测量三相高速永磁电机各相定子电流：ia、ib和ic，定义ia、ib和ic所在坐标系为Tabc；对ia、ib和ic依次进行Clarke变换和Park变换，将ia、ib和ic转换为旋转坐标系Tdq下一对正交的电流分量：id和iq；其中，id为旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量，iq为旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量；(2)设置模块化多电平变换器输入侧直流母线电压参考值为udcref，三相高速永磁电机转速参考值为nref；采集模块化多电平变换器输入侧直流母线电压udc和三相高速永磁电机的转速n，计算Δu＝udcref-udc、Δn＝nref-n；分别以Δu和Δn做为PI控制器的输入值，将Δu对应的PI控制器的输出值idref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量参考值，将Δn对应的PI控制器的输出值iqref作为三相高速永磁电机在旋转坐标系Tdq中的q轴电流分量参考值；(3)计算Δid＝idref-id，Δiq＝iqref-iq，分别将Δid和Δiq经PI控制器转换为校正电压Vd和Vq；根据变换角θ采用Park逆变换将校正电压Vd和Vq逆变到静止参考坐标系Tαβ下，形成两个正交的电压分量vα和vβ；对vα和vβ进行Clarke逆变换得到坐标系Tabc下的三相校正电压va、vb和vc；(4)根据步骤(3)得到的三相校正电压va、vb和vc计算第k+1个周期的PWM占空比，以生成第k+1个周期的谐波抑制SPWM调制信号，谐波抑制SPWM调制信号即为模块化多电平变换器的驱动信号。2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述模块化多电平变换器具有3相，每相由上桥臂、上桥臂电抗器、下桥臂电抗器和下桥臂依次串联形成，每相中上、下桥臂电抗器的连接点作为该相的输出节点并与高速永磁电机相应的输入端相连；上、下桥臂各包括N个串联的子模块。3.根据权利要求2所述的基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述子模块为半桥结构，由两个绝缘栅双极型晶体管串联后再与直流电容并联构成，每个绝缘栅双极型晶体管反并联一个二极管。4.根据权利要求3所述的基于模块化多电平变换器的高速永磁同步电机控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中，模块化多电平变换器输入侧直流母线电压参考值udcref的计算方法为：(2-1)根据模块化多电平变换器第i相上、下桥臂上的电流计算第i相的环流：iiZ=12(ipi+ini),i∈[1,2,3]]]>式中，iiZ表示模块化多电平变换器第i相的环流，ipi和ini分别表示第i相上桥臂电流和下桥臂电流；(2-2)将iiZ表示为：式中，Idc表示模块化多电平变换器输入侧直流母线电流，IiZ2(sin2ωt+δ2)表示iiZ中的二倍频谐波分量，IiZ4(sin4ωt+δ4)表示iiZ中的四倍频谐波分量；IiZ2和IiZ4分别为二倍频谐波分量和四倍频谐波分量的幅值，δ2和δ4分别为二倍频谐波分量和四倍频谐波分量的相角；(2-3)将iiZ中的二倍频谐波分量和四倍频谐波分量分别经过Clarke变换和Park变换分解为一组正交的电流分量：iZd2、iZq2和iZd4、iZq4；其中，iZd2、iZq2分别为iiZ中的二倍频谐波分量在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量和q轴电流分量；iZd4、iZq4分别为iiZ中的四倍频谐波分量在旋转坐标系Tdq中的d轴电流分量和q轴电流分量；(2-4)定义d、q轴电流分量的参考值分别为iZd_ref和iZq_ref，令iZd_ref＝0，iZq_ref＝0；分别计算：Δid2＝iZd_r...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄允凯，夏天琦，姚宇，许欢，曹智，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32