CN103219937B - 基于igct五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法设定转速和磁链的给定值，经转速和磁链的PI调节器计算出同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值；由d、q轴电流给定值经PI调节器计算出d、q轴电压给定值，进而得到参考电压矢量的幅值，经过坐标变换得到旋转的参考电压矢量；根据给定的旋转参考电压矢量，采用五电平空间矢量脉冲宽度调制算法，得到双绕组电机所需的六相电压；经电压、电流、转速检查模块得到所需的电压、电流和转速信息，经磁链观察得到磁链、旋转角度信息。本发明中，逆变器输出的电压、电流谐波含量相对于两电平、三电平大大减少，且谐波次数增大；且避免了绕组参数不一致带来的两套绕组电流不平衡问题。

Description

基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法

技术领域

本发明属于大功率变频交流调速领域，特别地，涉及一种基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其中，基于IGCT的五电平逆变器，结合矢量控制技术实现对管线压缩机双绕组大功率电机防爆电力驱动系统的控制。

背景技术

普通两电平变频器的拓扑结构比较简单，为了获得大功率，一般依靠开关器件串联以承受高压，将开关器件并联以承受大电流。但由于功率器件参数的离散型，将带来静、动态均压和均流等一系列问题。技术上的不确定因素影响很大，可靠性不高，而且输出只有两电平，电压波动大，产生较大谐波。因此这种变频器结构应用范围非常有限。

在高压大功率变频领域，针对两电平变频器的不足，须采用五电平、七电平甚至更多电平来提高输出电压。五电平具有低压器件输出高电压等级、输出波形谐波含量少、开关器件开关频率低、开关损耗小等优点。采用磁链、转速、电流闭环的直接矢量控制系统在获得高性能调速策略的同时，还可以提高电机定子电流的正弦度，获得高性能的调速系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其有效的解决了双绕组大功率电机防爆电力驱动系统的控制问题，采用矢量控制得到高性能的调速策略，采用五电平结构在低压器件实现高电压等级的同时降低了电压、电流的谐波含量。

为了实现上述目的，本发明的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、设定转速和磁链的给定值，经转速和磁链的PI调节器计算出同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值；

步骤二、由d、q轴电流给定值经PI调节器计算出d、q轴电压给定值，进而得到参考电压矢量的幅值，经过坐标变换得到旋转的参考电压矢量；

步骤三、根据给定的旋转参考电压矢量，采用五电平空间矢量脉冲宽度调制算法，得到双绕组电机所需的六相电压；

步骤四、经电压、电流、转速检查模块得到所需的电压、电流和转速信息，经磁链观察得到磁链、旋转角度信息。

根据上述的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其中，所述系统中，两个五电平逆变器共用一个直流母线电压。

根据上述的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其中，所述系统采用双d、q电流控制。

因此，本发明的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法具有以下有益的技术效果：

(1)五电平的拓扑结构使逆变器输出的电压、电流谐波含量相对于两电平、三电平大大减少，且谐波次数增大；

(2)矢量控制可以获得高性能的调速系统，基于双d、q的电流控制策略可以分别控制电机的两套绕组，从而避免绕组参数不一致带来的两套绕组电流不平衡问题；

(3)双绕组电机可以运行在全速、全载，全速、半载和半速、半载等模式，提高了调速系统的可靠性等。

附图说明

图1为本发明的系统控制结构示意图；

图2为本发明的电流调节器的结构示意图；

图3为本发明的磁链调节器的结构示意图；

图4(a)为本发明的转速环的结构示意图；

图4(b)为本发明的转速调节器的结构示意图；

图5为本发明的双d、q电流控制的电路图；

图6为本发明的五电平逆变器主回路的的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

本发明基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统如图1所示，其控制方法的具体步骤如下：

步骤一、设定转速和磁链的给定值，经转速和磁链的PI调节器计算出同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值；

步骤二、由d、q轴电流给定值经PI调节器计算出d、q轴电压给定值，进而得到参考电压矢量的幅值，经过坐标变换得到旋转的参考电压矢量；

步骤三、根据给定的旋转参考电压矢量，采用五电平空间矢量脉冲宽度调制算法(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)，得到双绕组电机所需的六相电压；

步骤四、经电压、电流、转速检查模块得到所需的电压、电流和转速信息，经磁链观察得到磁链、旋转角度信息。

磁链、转速、电流PI调节器须根据系统要求整定成典型系统，根据系统需要设定PI调节器的限幅值。

在本发明中，采用双d、q电流控制，虽然增加了PI调节器的数目，但可以分别控制双绕组电机的两套绕组，可以避免因绕组参数不一致造成的电流、电压不平衡问题。

本发明采用两个五电平逆变器共用一个直流母线电压，可以避免器件级联带来的回流问题。另外采用SVPWM控制算法，可以在提高直流母线电压利用率的同时，减少逆变器输出电压、电流的谐波。

由系统控制结构可得，实现该控制系统的具体步骤如下：

1、电机模型推导

采用坐标变换和转子磁场定向理论得到双绕组电机在d-q同步旋转坐标系下的电压、转矩、磁链和运动方程如式(1)-式(4)所示。

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}\\ u_{\mathrm{qs}}\\ 0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{R}_s+{\mathrm{pL}}_s& -{\mathrm{\ω}}_1{L}_s& {\mathrm{pL}}_m& -{\mathrm{\ω}}_1{L}_m\\ {\mathrm{\ω}}_1{L}_s& R_s+{\mathrm{pL}}_s& {\mathrm{\ω}}_1{L}_m& {\mathrm{pL}}_m\\ {\mathrm{pL}}_m& 0& R_r+{\mathrm{pL}}_r& 0\\ {\mathrm{\ω}}_s{L}_m& 0& {\mathrm{\ω}}_s{L}_r& R_r\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ds}}\\ i_{\mathrm{qs}}\\ i_{\mathrm{dr}}\\ i_{\mathrm{qr}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

$T_e=n_p\frac{L_m}{L_r}{i}_{\mathrm{qs}}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}---\left(2\right)$

${\mathrm{\ψ}}_r={\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}}=\frac{L_m}{1+{\mathrm{\τ}}_{r}p}{i}_{\mathrm{ds}}---\left(3\right)$

$T_e=T_L+\frac{J}{n_p}\frac{{\mathrm{d\ω}}_r}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

式中u_ds为双绕组电机定子电压d轴分量，u_qs为双绕组电机定子电压q轴分量，i_ds为双绕组电机定子电流d轴分量，i_qs为双绕组电机定子电流q轴分量，ψ_r为双绕组电机转子磁链，为双绕组电机转子磁链d轴分量，R_s，R_r分别为定子和转子绕组电阻；ω₁为d-q坐标系相对于定子的角转速，ω_r为转子的角转速，ω_s为转差角转速；L_s，L_r，L_m分别为d-q坐标系等效定子自感，转子自感，定转子互感；τ_r＝L_r/R_r为转子时间常数，J为电机转动惯量，n_p为电机极对数，T_L为负载转矩，T_e为电磁转矩。

2、调节器设计

整理式(1)和式(3)可得：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{ds}}=(R_s+{\mathrm{\σL}}_{s}p)i_{\mathrm{ds}}-u_{\mathrm{sdc}}=u_{\mathrm{ds}}\′-u_{\mathrm{sdc}}\\ u_{\mathrm{qs}}=(R_s+{\mathrm{\σL}}_{s}p)i_{\mathrm{qs}}+u_{\mathrm{sqc}}=u_{\mathrm{qs}}\′+u_{\mathrm{sqc}}\end{array}\right.---\left(5\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{sdc}}={\mathrm{\ω}}_s{\mathrm{\σL}}_s{i}_{\mathrm{qs}}-\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{p\ψ}}_{\mathrm{dr}}\\ u_{\mathrm{sqc}}={\mathrm{\ω}}_s({\mathrm{\σL}}_s{i}_{\mathrm{ds}}+\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{dr}})\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中 $\mathrm{\σ}=1-L_m^2/L_s{L}_r$ 为漏磁系数。

PI调节器可以保证稳态精度，本发明采用PI调节器进行设计，其传递函数为K_p(τs+1)/τs。

2.1、电流调节器设计

由式(5)可知，忽略前馈耦合项，电流环的开环传递函数为：

$\frac{i_s}{u_s\′}=\frac{1/R_s}{{\mathrm{\σ\τ}}_{s}s+1}---\left(7\right)$

式中τ_s＝L_s/R_s为定子时间常数。

在实际系统中，为了减小反馈滤波环节的延迟影响，需要在通道中设置滤波环节，其中滤波时间常数T_s＜στ_s，电流调节器的结构如图2所示。

电流环为内环，对快速性要求较高，所以将其校正为典型I型系统。取ζ＝0.707，KT＝0.5，得电流调节器的参数为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}={\mathrm{\σ\τ}}_s\\ K_p=\frac{R_s{\mathrm{\σ\τ}}_s}{2T_s}\end{array}\right.---\left(8\right)$

其中，K_P为PI调节器的比例系数，K_I为PI调节器的积分系数。分析可得电流环的闭环传递函数可简化为：W_i(s)＝1/(2T_ss+1)。

2.2磁链调节器设计

与电流环设计类似，磁链环也要在给定和反馈通道中设置滤波环节，滤波时间常数与电流环取值相同。用电流环的简化传递函代替内部电流环，可得磁链调节器，其结构如图3所示。

将小惯性环节进行合并，并将磁链环按典型I型系统进行校正，得磁链环调节器参数为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_r\\ K_p=\frac{{\mathrm{\τ}}_r}{6L_m{T}_s}\end{array}\right.---\left(9\right)$

2.3 转速调节器设计

设计转速环时，同样需要将电流环作为内环。在转速给定和反馈通道中设置滤波环节，由于转速环要求具有较好的抗扰性能，所以本发明将转速环校正为典型II型系统。转速环的滤波时间常数为T_n，设计时T_n＝10T_s，转速环的结构如图4(a)所示。

将两个小惯性环节合并近似为一个时间常数，得到转速调节器，其结构如图4(b)所示。

其中， $K_T=n_p\frac{L_m}{L_r}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{rd},}$ T_Σ＝T_n+2T_s。

整理可得，转速环PI按典型II型系统整定的调节器参数为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}={\mathrm{hT}}_{\mathrm{\Σ}}\\ K_p=\frac{J(h+1)}{{19h}^2{K}_T{T}_{\mathrm{\Σ}}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

将转子磁场定向在同步旋转d-q坐标系的d轴，给定磁链大小，经图3所示的磁链调节器得到d轴的电流给定值i_d ^*；给定转速的大小，经图4所示的转速调节器，得到q轴的电流给定值iq^*；

3、双d-q电流控制

如图5所示，本发明采用双d-q电流控制，对双绕组电机两套绕组分开进行控制，可以避免两套绕组参数不一致带来的电压、电流不均衡问题。

4、本发明采用五电平拓扑结构，其结构如图6所示。

经图4所示的双d、q电流控制策略得到控制双绕组电机所需的两个参考电压矢量；两个五电平逆变器共用一个直流母线电压，经五电平SVPWM计算，同时采用有源中点钳位(active neutral-point-clamped，ANPC)控制方法对中点电位进行处理。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、设定转速和磁链的给定值，经转速和磁链的PI调节器计算出同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值；

步骤二、由d、q轴电流给定值经电流的PI调节器计算出d、q轴电压给定值，进而得到参考电压矢量的幅值，经过坐标变换得到旋转的参考电压矢量；

步骤三、根据给定的旋转参考电压矢量，采用五电平空间矢量脉冲宽度调制算法，得到双绕组电机所需的六相电压；

步骤四、经电压、电流、转速检查模块得到所需的电压、电流和转速信息，经磁链观察得到磁链、旋转角度信息；

所述电流的PI调节器的参数为： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}={\mathrm{\σ\τ}}_s\\ K_p=\frac{R_s\mathrm{\σ}{\mathrm{\τ}}_s}{{2T}_s}\end{array}\right.,$

所述磁链的PI调节器的参数为： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\τ}={\mathrm{\τ}}_r\\ K_P=\frac{{\mathrm{\τ}}_r}{{6L_{m}T}_s}\end{array}\right.,$ 其中，K_P为PI调节器的比例系数，τ_s＝L_s/R_s为定子时间常数，τ_r是转子时间常数，τ是时间常数，滤波时间常数T_s＜στ_s，为漏磁系数，R_s为定子绕组电阻，L_s、L_r、L_m分别为d-q坐标系等效定子自感、转子自感、定转子互感。

2.根据权利要求1所述的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其特征在于，所述系统中，两个五电平逆变器共用一个直流母线电压。

3.根据权利要求1所述的基于IGCT五电平的双绕组大功率防爆电机系统的控制方法，其特征在于，所述系统采用双d、q电流控制。