一種基于z源和電壓源變流器協同供電的開繞組永磁同步電機的控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電機控制技術領域，具體涉及一種基于Z源和電壓源變流器協同供電 的開繞組永磁同步電機的控制方法。
【背景技術】
[0002] 永磁電機具有結構簡單、功率密度高、效率高、結構靈活多樣等優點，隨著驅動技 術的不斷進步與發展，其應用已遍及航空航天、國防、工農業生產以及日常生活的各個領 域。近年來，隨著材料性能、設計技術和工藝水平的日益提高，永磁電機的功率等級正逐漸 增大，在能源、工業和交通運輸等領域已得到了大量應用。例如，在風力發電、新能源汽車、 高速鐵路、船舶推進、多電飛機及艦船全電驅動和礦山機械等應用場合，永磁電機都具有極 為強大的競爭力和廣闊的應用前景。
[0003] 隨著永磁電機系統容量的增大，永磁電機所使用的全功率變流器容量也會隨之增 加。受開關器件的限制，大功率變流器不僅成本昂貴，運行性能及可靠性也難以滿足實際運 行需求。此外，一套變流器控制一臺電機的運行方式也限制了永磁電機控制技術的發展及 其運行性能的進一步提升。
[0004] 為突破現有電機結構的局限性，提高永磁電機系統包括轉矩平穩、弱磁能力、容錯 運行以及降低開關器件應力等在內的運行性能，開繞組永磁電機作為一種新型永磁電機拓 撲結構，得到了廣泛的研究和關注。相對于傳統繞組結構的永磁電機，開繞組永磁電機系統 的優點表現為如下：
[0005] (1)通過兩組變流器對電機進行控制，增加了變流器控制的靈活度，也降低了系統 對變流器開關器件的容量要求，提高了開繞組永磁電機系統運行的穩定性及可靠性。
[0006] (2)在開繞組電機系統中，兩個變流器輸出的電壓矢量疊加后在電機繞組上可產 生多電平的調制效果，可有效抑制電流諧波。
[0007] (3)由于使用了兩組變流器進行控制，其電壓矢量分配機制更為靈活復雜，相對于 普通電機的容錯運行，開繞組永磁電機表現為更高的容錯自由度。由此可見，開繞組永磁電 機系統的研究具有重要的工程價值與實際意義。
[0008] 傳統的開繞組永磁同步電機系統結構如圖1所示，其主要由電機以及兩組電壓源 型變流器組成，其典型拓撲結構中兩組變流器可使用隔離直流母線和共直流母線兩種結 構，圖1中以兩電平變流器結構示例。在隔離直流母線結構中，如圖1(a)所示，通過直流電源 1和直流電源2的電壓幅值比例調節和兩個變流器的協調控制，不僅可以靈活控制兩個變流 器上流過的功率，也可以在開繞組永磁電機實現三電平、四電平等更高電平數的控制，減少 電流諧波，改善轉矩平穩性能。但由于隔離直流母線的開繞組電機系統需要兩條電氣隔離 的直流母線，使系統結構復雜、成本增加，特別是難以用于只有單個電源供電的場合。共直 流母線結構可較好地解決了這一問題，使開繞組電機系統結構得到簡化，如圖1(b)所示。然 而由于此時兩直流母線并聯，系統存在零序電流回路，兩個變流器在電機端部產生的共模 電壓使得電機產生零序電流，需在電機控制系統中加入額外的零序回路控制環節以抑制零 序電流。共直流母線結構作為開繞組永磁電機最具前景的變流拓撲結構，對其運行原理和 控制策略的研究具有重要的理論意義和實際價值。但由于此時兩個變流器直流電壓相同， 如果不增加變流器本身的電平數，無法在共直流母線下實現開繞組永磁電機更高電平的控 制。
【發明內容】
[0009] 針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種基于Z源和電壓源變流 器協同供電的開繞組永磁同步電機的控制方法，能夠在只有單組直流母線的基礎上，利用Z 源和電壓源變流器的協同控制，實現更高電平的控制效果，進而減少相應的輸出電流諧波。
[0010] -種基于Z源和電壓源變流器協同供電的開繞組永磁同步電機的控制方法，所述 的開繞組永磁同步電機由兩臺變流器J1和J2勵磁供電，變流器J1和J2采用公共的直流母 線，電機的三相定子繞組一側接變流器J1，另一側接變流器J2;其中，變流器J1采用電壓源 型變流器，變流器J2采用Z源變流器；
[0011] 所述的控制方法包括如下步驟：
[0012] (1)采集電機的三相定子電壓Ua~Uc和三相定子電流i a~ic、變流器J1和J2的公共 直流母線電壓Udc以及Z源變流器的升壓側母線電壓Udc2,通過編碼器檢測得到電機的轉速 和轉子位置角
[0013] ⑵利用所述的轉子位置角0:對三相定子電流ia~ic進行dqO坐標變換，得到對應 dqO坐標系下的d軸電流分量i d、q軸電流分量i q和0軸電流分量i z;
[0014] (3)根據所述的轉速《以及d軸電流分量id、q軸電流分量iq和0軸電流分量i z，計算 出電機的實際輸出功率匕、有功軸電壓補償量A uq、無功軸電壓補償量A ud和零序電壓補償 量 A uz;
[0015] (4)根據所述的實際輸出功率、有功軸電壓補償量A Uq、無功軸電壓補償量A ud 和零序電壓補償量A uz，通過基于無功軸電流為零的矢量控制算法計算出有功軸電壓指令 Uq、無功軸電壓指令Ud以及零序電壓指令Uz ;
[0016] (5)將Z源變流器的升壓側母線電壓參考值設為2Udc，通過計算參考值2Udc與實際 值Ud c2之間的誤差，并對該誤差進行PI(比例積分）調節，得到Z源變流器直通零矢量的作用 時間Tsh;
[0017] (6)對所述的有功軸電壓指令uq和無功軸電壓指令Ud進行分配:使變流器J1的調制 電壓矢量為111=(11〇1+加( 1)/3，變流器12的調制電壓矢量為112 = 2(11〇1+加(1)/3，」為虛數單位；
[0018] (7)對于變流器J1和J2中的任一臺變流器，利用SVPWM(空間矢量脈寬調制)算法確 定其調制電壓矢量所在的扇區以及該扇區對應兩個有效電壓矢量的作用時長;進而根據所 述的零序電壓指令u z通過補償直通零矢量的作用時間Tsh，計算出該變流器兩個零矢量的作 用時長;最后，根據該變流器兩個有效電壓矢量以及兩個零矢量的作用時長，構造出相應的 三相開關信號經驅動放大后對該變流器中的功率開關器件進行控制。
[0019] 所述的步驟(3)中通過以下公式計算電機的實際輸出功率、有功軸電壓補償量 A Uq、無功軸電壓補償量A Ud和零序電壓補償量A Uz:
[0022] 其中：Ld和Lq分別為電機的直軸電感和交軸電感，Wr和W3r分別為電機轉子磁鏈的 基波分量和三次諧波分量。
[0023] 所述的步驟(4)中基于無功軸電流為零的矢量控制算法，具體過程如下：
[0024] 4.1使預設的目標輸出功率Prrf減去所述的實際輸出功率Pe，得到功率誤差
[0025] 4.2對所述的功率誤差進行PI調節得到有功軸電流指令Iq，同時令無功軸電流 指令Id和零序電流指令1 2均為零；
[0026] 4.3使無功軸電流指令Id、有功軸電流指令Iq和零序電流指令12分別減去d軸電流 分量id、q軸電流分量i q和0軸電流分量iz，得到無功軸電流誤差idOT、有功軸電流誤差iqOT和 零序電流誤差
[0027] 4.4分別對所述的有功軸電流誤差iqCTr和無功軸電流誤差id^進行PI調節得到有 功軸電壓誤差u qe5rr和無功軸電壓誤差Udm;使所述的有功軸電壓補償量A uq和無功軸電壓 補償量A Ud分別減去有功軸電壓誤差Uqerr和無功軸電壓誤差Uderr，即得到有功軸電壓指令 Uq和無功軸電壓指令Ud;
[0028] 4.5對所述的零序電流誤差匕(^進行?以比例諧振)調節得到零序電壓誤差112(^;使 所述的零序電壓補償量A UZ減去零序電壓誤差I