一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法技术

本发明专利技术提供了一种基本电压矢量补偿(BVC)的主动阻尼方法。首先，利用高通滤波器(HPF)和延时环节提取直流环节振荡小信号；然后，从直流环节电压中减去小信号值；最后，利用这个电压差值作为计算有限控制集模型预测电流控制(FCS

【技术实现步骤摘要】
一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法


[0001]本专利技术涉及直流推进系统，尤其是涉及直流推进系统中由于恒功率负载引起的直流环节电压振荡的抑制方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子技术的发展，直流推进系统在船舶中备受关注。同时，永磁同步电机(PMSM)因其结构简单、功率密度高、损耗小等优点，被广泛作为推进电机使用。因此，LC滤波器
‑
PMSM级联系统在直流推进船舶中较为常见。但是PMSM驱动系统在严格调速和恒负载转矩下具有负阻抗特性，导致级联系统的直流环节电压出现振荡现象。这种振荡现象是由于LC滤波环节输出阻抗与负载输入阻抗不匹配造成的。
[0003]基于参考电流的补偿策略(RCC)和基于参考电压的补偿策略(RVC) 是目前最常用的两种抑制直流环节电压振荡的方法。然而，RCC在q轴参考电流中注入阻尼项，这使得阻尼项与电流环之间存在耦合，导致电机性能下降；此外，RCC的补偿效果还受电流环带宽的影响。RVC在q轴参考电压中注入阻尼项，这对电机启动性能影响较大。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的抑制直流推进系统中由于恒功率负载引起的直流环节电压的振荡技术问题，而提供一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法。
[0005]本专利技术采用的技术手段如下：
[0006]一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤1：建立具有直流电源、LC滤波器、逆变器和永磁同步电机的直流推进系统模型；
[0008]步骤2：采用阻抗匹配准则和奈奎施特稳定判据方法对所述直流推进系统模型进行稳定性分析；
[0009]所述直流推进系统模型包括电源部分和负载部分；所述电源部分由单个电压源v
g
和输出阻抗Z
o
表示，所述负载部分由输入阻抗Z
in
表示；根据基尔霍夫电压和电流定律，输出阻抗Z
o
通过小信号分析得到，如下式所示：
[0010][0011]式中，L
dc
、C
dc
分别表示LC滤波器的电感和电容；R
dc
表示线路电阻；
[0012]步骤3：根据永磁同步电机dq坐标系下的电压方程和前向欧拉离散方法，dq轴电流的预测方程为：
[0013][0014]式中，L
d
、L
q
、R
s
、p、ψ分别表示永磁同步电机的dq轴电感、电阻、极对数、永磁体磁链；I表示单位矩阵；i
d
(k)、i
q
(k)、i
d
(k+1)、i
q
(k+1)分别表示dq轴电流在第k时刻的测量值和第k+1时刻的预测值；T
s
表示采样时间；ω
m
(k)表示机械角速度在第k时刻的测量值；v
d
(k)、v
q
(k)分别表示在 dq坐标系下逆变器的八个基本电压矢量；
[0015]为了使k+1时刻的dq轴预测电流跟随dq轴电流参考值，定义 FCS
‑
MPCC的代价函数为：
[0016][0017]式中，表示d轴电流参考值，其值为0；表示q轴电流参考值，其值为转速外环输出；
[0018]最后，从所述八个基本电压矢量中选出使代价函数值最小的最优参考电压矢量作为控制输出；
[0019]步骤4：为了稳定逆变器直流环节电压，提出了一种基本电压矢量补偿方法；首先，采用高通滤波器和相位补偿的延时环节提取直流环节振荡小信号；然后，从直流环节电压中减去小信号值；最后，用这个电压差值作为计算逆变器基本电压矢量的直流环节电压值；即：
[0020][0021]式中，v
dc
表示直流环节电压；K
v
、ω
c
分别表示HPF的增益系数和截止频率；T
d
代表延时环节的延时时间；
[0022]令补偿后的FCS
‑
MPCC的代价函数对v
q
(k)的偏导等于0，则BVC补偿后的FCS
‑
MPCC的q轴最优参考电压矢量可以表示为：
[0023][0024]式中，K
q
(θ)代表坐标变换所产生的q轴电压增益；
[0025]步骤5：对永磁同步电机和逆变器进行数学建模，然后进行小信号分析，得到BVC补偿后PMSM驱动系统的输入阻抗Z
in
的小信号模型如下式所示：
[0026][0027]式中，J表示电机的转动惯量；K
sp
、K
si
分别表示转速环PI控制器的比例系数和积分系数；V
dc
、I
inv
分别表示直流环节电压和逆变器电流的稳态值；I
q
、V
q
分别表示电机q轴电流和电压的稳态值；
[0028]步骤6：根据所述式(1)和所述式(6)在Bode图和奈奎施特图上表示出输出阻抗Z
o
和输入阻抗Z
in
的关系，并利用阻抗匹配准则和奈奎施特稳定判据来判断系统的稳定性。
[0029]较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0030]1、PMSM驱动系统应用FCS
‑
MPCC能够提供高速动态响应和良好的稳态性能。2、BVC主动阻尼方法在保证电机性能的同时，还能够有效抑制由于恒功率负载引起的直流环节电压振荡现象。该方法不受电流环带宽的影响，对电机性能的影响更小。3、推导了BVC补偿后系统的输入阻抗，并详细分析了补偿前后系统的稳定性，同时，给出了增益系数对系统性能的影响。4、该方法不需要额外的电力电子器件，对逆变器的效率影响较小。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0032]图1为本专利技术直流推进系统的简化模型。
[0033]图2为本专利技术BVC主动阻尼方法的控制框图。
[0034]图3为本专利技术不同增益系数下Z
o
和Z
in
的Bode图。
[0035]图4为本专利技术不同增益系数下Z
o
/Z
in
的奈奎施特曲线。
[0036]图5为本专利技术不同增益系数下的直流环节电压波形图。
[0037]图6为本专利技术不同增益系数下的电机转速波形图。
具体实施方式
[0038]为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立具有直流电源、LC滤波器、逆变器和永磁同步电机的直流推进系统模型；步骤2：采用阻抗匹配准则和奈奎施特稳定判据方法对所述直流推进系统模型进行稳定性分析；所述直流推进系统模型包括电源部分和负载部分；所述电源部分由单个电压源v
g
和输出阻抗Z
o
表示，所述负载部分由输入阻抗Z
in
表示；根据基尔霍夫电压和电流定律，输出阻抗Z
o
由小信号分析得到，如下式所示：式中，L
dc
、C
dc
分别表示LC滤波器的电感和电容；R
dc
表示线路电阻；步骤3：根据永磁同步电机dq坐标系下的电压方程和前向欧拉离散方法，dq轴电流的预测方程为：式中，L
d
、L
q
、R
s
、p、ψ分别表示永磁同步电机的dq轴电感、电阻、极对数、永磁体磁链；I表示单位矩阵；i
d
(k)、i
q
(k)、i
d
(k+1)、i
q
(k+1)分别表示dq轴电流在第k时刻的测量值和第k+1时刻的预测值；T
s
表示采样时间；ω
m
(k)表示机械角速度在第k时刻的测量值；v
d
(k)、v
q
(k)分别表示在dq坐标系下逆变器的八个基本电压矢量；为了使k+1时刻的dq轴预测电流跟随dq轴电流参考值，定义FCS
‑
MPCC的代价函数为：式中，表示d轴电流参考值，其值为0；表示q轴电流参考值，其值为转速外环输出；最后，从所述八个基本电压矢量中选出使代价函数值最小的最优参考电压矢量作为控制输出；步骤4：为了稳定逆变器直流环节电压，提出了一种基本电压矢量补偿的方法；首先，采用高通滤波器和相位补偿的延时环节提取直流环节振荡小信号；然后，从直流环节电压中减去小信号值；最后，用这个电压差值作为计算逆变器基本电压矢量的直流环节电压值；即：式中，v
dc
表示直流环节电压；K
v
、ω
c
分别表示HPF的增益系数和截止频率；T
d
代表延时环节的延时时间；
令补偿后的FCS
‑
MPCC的代价函数对v
q
(k)的偏导等于0，则BVC补偿后的FCS
‑
MPCC的q轴最优参考电压矢量可以表示为：式中，K
q
(θ)代表坐标变换所产生的q轴电压增益；步骤5：对永磁同步电机和逆变器进行数学建模，然后进行小信号分析，得到BVC补偿后PMSM驱动系统的输入阻抗Z
in
的小信号模型如下式所示：式中，J表示电机的转动惯量；K
sp
、K
si
分别表示转速环PI控制器的比例系数和积分系数；V
dc
、I
inv
分别表示直流环节电压和逆变器电流的稳态值；I
q
、V
q
分别表示电机q轴电流和电压的稳态值；步骤6：根据所述式(1)和所述式(6)在Bode图和奈奎施特图上表示出输出阻抗Z
o
和输入阻抗Z
in
的关系，并利用阻抗匹配准则和奈奎施特稳定判据来判断系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的一种基本电压矢量补偿的主动阻尼方法，其特征在于：步骤4所述的BVC补偿后的FCS
‑
MPCC的q轴最优参考电压矢量的表达式推导包括以下步骤：三相坐标系下两电平逆变器的基本电压矢量与逆变器引脚开关状态的关系为：式中，v
A
、v
B
、v
C
分别表示逆变器输出的三相电压；S
A
、S
B
、S
C
分别表示逆变器引脚的开关状态；
通过幅值不变的Clack和Park变换矩阵将三相电压变换到d...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭昊昊，刘彦呈，杨鹏明，林叶锦，张珍睿，张勤进，于春来，陈九霖，李冠桦，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：