CN108988713A - 双三相pmsg多相开路故障容错运行控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统。所述方法及系统采用双层电流控制环控制所述双三相PMSG的各相电流和转速，其中内层电流控制环用于控制直轴电压、交轴电压中的时变部分，外层电流控制环用于控制直轴电压、交轴电压中的非时变部分。与现有技术的非对称控制方法相比，本发明采用的双层电流控制环控制方式结构简单、使用灵活，能够实现双三相PMSG在非对称状态运行下的直轴电流和交轴电流更完全的解耦，更好地达到抑制转矩和转速波动的效果。此外，本发明采用的双层电流控制环中的控制结构使用普通PI控制器即可实现，结构简单、成本低廉，计算量亦无明显增加。

Description

双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统

技术领域

本发明涉及自动化控制技术领域，特别是涉及一种双三相永磁同步发电机PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统。

背景技术

相较于传统的三相永磁同步发电机(permanent magnetic synchronousgenerator，PMSG)，多相PMSG以其冗余度高，容错能力强，单机容量大等优势逐渐获得关注。多相PMSG可满足在同等电压、电流条件下，较传统三相电机提升一倍的发电功率。其中双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行，由于定子绕组空间位置与传统双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行类似，且对三次谐波的抑制作用明显，具备转矩脉动小、转矩密度高、可靠性高等优势，表现出了更广泛的应用价值和更良好的发展前景。

双三相PMSG在发生单相或多相定子绕组开路故障时，将会在非对称状态下运行。为保证非对称状态下，电机磁势与故障前相比不发生变化，需要对各相电流进行非对称控制。目前实现这种非对称控制的方法主要有三种：

一，场向控制策略。将定子电流进行坐标变换，变为直轴电流和交轴电流。由于隐极式电机的转矩完全由交轴电流提供，只要保证交轴电流恒定，就能达到电磁转矩恒定的目的。凸极式电机的转矩主要由直轴电流提供，交轴电流产生较小影响，只要保证直轴交轴电流的稳定，就能保证电机电磁转矩的稳定。通常直轴和交轴电流分别用独立的电流环进行控制，控制器通常采用PI(proportional integral，比例和积分)控制器。

二，相量分解。通过对电机位置角、转速等运动相量，或者静止正交坐标系下电机磁链、电压或电流(通常采用电流)等电磁相量的分解得到一系列各次谐波子空间、零序子空间等，采用PI等类型控制器对这些子空间中的分量进行抑制，从而达到抑制转矩波动，维持电机非对称运行的目的。

三，直接转矩控制。由于隐极式发电机的转矩由磁链大小和交轴电流大小决定，因此可对这两个量分别进行控制，使得电机产生的电磁转矩维持在期望值附近。

现有技术的以上三种方法中，多以第一种和第二种配合使用。然而由于这些方法都是从控制正常运行电机的方法中沿用而来，往往无法解决非对称运行状态下，电机电压电流的解耦问题。为解决双三相永磁同步发电机非对称运行状态下电机电压电流的解耦问题，一些相关研究虽然提出了时变旋转控制的概念，对非对称状态下解耦电机电压电流所产生的时变旋转矩阵进行消除，但是却产生了无法完全解耦，并且在消除直轴、交轴电流和电机电磁转矩的大波动的同时却产生了新的小波动的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制方法及系统，采用双层电流环控制策略实现在电机非对称运行状态下更完全的解耦，有效抑制电机直轴、交轴电流以及电磁转矩的波动问题，减少相电流畸变。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法，所述控制方法包括：

获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流；

直轴电流经过直轴电流内层控制环控制，生成直轴电压中的时变部分；

直轴电流经过直轴电流外层控制环控制，生成直轴电压中的非时变部分；

交轴电流经过交轴电流内层控制环控制，生成交轴电压中的时变部分；

交轴电流经过交轴电流外层控制环控制，生成交轴电压中的非时变部分；

零序电流经过零序电流内层控制环控制，生成零序电压中的时变部分；

零序电流经过零序电流外层控制环控制，生成零序电压中的非时变部分；

根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成双三相PMSG各相电压的期望值；

根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。

可选的，所述获取双三相PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流具体包括：

获取所述双三相PMSG的各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F；

所述各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F经过旋转坐标系变换，生成所述双三相PMSG的直轴电流i_d、交轴电流i_q和零序电流i_z。

可选的，所述直轴电流经过直轴电流内层控制环控制，生成直轴电压中的时变部分，具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流内层PI控制器后，生成直轴电压内层输出值U_m；

采用时变矩阵X对所述直轴电压内层输出值U_m进行矩阵变换，生成所述直轴电压中的时变部分U′_d。

可选的，所述直轴电流经过直轴电流外层控制环控制，生成直轴电压中的非时变部分，具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流外层PI控制器后，生成所述直轴电压中的非时变部分U_dl。

可选的，所述交轴电流经过交轴电流内层控制环控制，生成交轴电压中的时变部分，具体包括：

获取所述双三相PMSG的旋转角速度ω和旋转角速度参考值ω^*；

所述旋转角速度参考值ω^*与所述旋转角速度ω之差经过速度控制环PI控制器后，生成交轴电流参考值

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流内层PI控制器后，与所述旋转角速度ω和转子主磁链幅值ψ_r之积ωψ_r相加，生成交轴电压内层输出值U_n；

采用时变矩阵X对所述交轴电压内层输出值U_n进行矩阵变换，生成所述交轴电压中的时变部分U′_q。

可选的，所述交轴电流经过交轴电流外层控制环控制，生成交轴电压中的非时变部分，具体包括：

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流外层PI控制器后，生成所述交轴电压中的非时变部分U_ql。

可选的，所述零序电流经过零序电流内层控制环控制，生成零序电压中的时变部分，具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流内层PI控制器后，生成零序电压内层输出值U_o；

采用时变矩阵X对所述零序电压内层输出值U_o进行矩阵变换，生成所述零序电压中的时变部分U′_z。

可选的，所述零序电流经过零序电流外层控制环控制，生成零序电压中的非时变部分，具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流外层PI控制器后，生成所述零序电压中的非时变部分U_zl。

可选的，所述根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值，具体包括：

确定所述直轴电压中的时变部分U′_d与所述直轴电压中的非时变部分U_dl之和为所述双三相PMSG的直轴电压期望值U_d；

确定所述交轴电压中的时变部分U′_q与所述交轴电压中的非时变部分U_ql之和为所述双三相PMSG的交轴电压期望值U_q；

确定所述零序电压中的时变部分U'_z与所述零序电压中的非时变部分U_zl之和为所述双三相PMSG的零序电压期望值U_z；

根据所述直轴电压期望值U_d、所述交轴电压期望值U_q和所述零序电压期望值U_z进行旋转坐标系反变换，生成所述双三相PMSG各相电压的期望值

一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制系统，所述控制系统包括：

实测电流获取模块，用于获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流；

直轴电流内层控制环，用于对所述直轴电流进行直轴电流内层控制，生成直轴电压中的时变部分；

直轴电流外层控制环，用于对所述直轴电流进行直轴电流外层控制，生成直轴电压中的非时变部分；

交轴电流内层控制环，用于对所述交轴电流进行交轴电流内层控制，生成交轴电压中的时变部分；

交轴电流外层控制环，用于对所述交轴电流进行交轴电流外层控制，生成交轴电压中的非时变部分；

零序电流内层控制环，用于对所述零序电流进行零序电流内层控制，生成零序电压中的时变部分；

零序电流外层控制环，用于对所述零序电流进行零序电流外层控制，生成零序电压中的非时变部分；

电压期望值生成模块，用于根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值；

多相开路故障容错运行控制模块，用于根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制方法及系统，所述方法及系统采用双层电流控制环控制所述双三相PMSG的各相电流和转速，其中内层电流控制环用于控制直轴电压u_d、交轴电压u_q中的时变部分，外层电流控制环用于控制u_d、u_q中的非时变部分。与现有技术的非对称控制方法相比，本发明采用的双层电流控制环控制方式结构简单、使用灵活，能够实现双三相PMSG在非对称状态运行下的直轴电流i_d和交轴电流i_q更完全的解耦，更好地达到抑制转矩和转速波动的效果。

此外，本发明采用的双层电流控制环中的控制结构使用普通PI控制器即可实现，结构简单、成本低廉，计算量亦无明显增加。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明提供的双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制方法的方法流程图；

图2为本发明实施例电压补偿电路的原理框图；

图3为本发明实施例双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制方法的方法流程图；

图4是应用本发明得到的双三相PMSG各种开路故障下的相电流、电磁转矩以及电机旋转角速度波形图；

图5为本发明提供的双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制系统的系统结构图；

图6为本发明提供的单层电流控制环的原理框图；

图7为单层电流环控制下，电机全相运行到f相开路时刻相电流变化图；

图8为单层电流环控制下，电机全相运行到f相开路时刻电磁转矩变化图；

图9为单层电流环控制下，电机全相运行到f相开路时刻电机转速变化图；

图10为单层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻相电流变化图；

图11为单层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图12为单层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻电机转速变化图；

图13为双层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻相电流变化图；

图14为双层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图15为双层电流环控制下f相开路到e、f相开路时刻电机转速变化图；

图16为单层电流环控制下e、f相开路到c、e、f相开路时刻相电流变化图；

图17为单层电流环控制下电机e、f相开路到c、e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图18为单层电流环控制下电机e、f相开路到c、e、f相开路时刻电机转速变化图；

图19为双层电流环控制下电机e、f相开路到c、e、f相开路时刻相电流变化图；

图20为双层电流环控制下电机e、f相开路到c、e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图21为双层电流环控制下电机e、f相开路到c、e、f相开路时刻电机转速变化图；

图22为单层电流环控制下电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻相电流变化图；

图23为单层电流环控制下，电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图24为单层电流环控制下，电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻电机转速变化图；

图25为双层电流环控制下，电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻相电流变化图；

图26为双层电流环控制下，电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻电磁转矩变化图；

图27为双层电流环控制下，电机c、e、f相开路到d、c、e、f相开路时刻电机转速变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制方法及系统，采用双层电流环控制策略实现在电机非对称运行状态下更完全的解耦，有效抑制电机直轴、交轴电流以及电磁转矩的波动问题，减少相电流畸变。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法的方法流程图。本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统应用于一种基于双三相PMSG的发电系统，其系统结构如图2所示。为叙述方便，本文将双三相PMSG亦简称为电机。参见图2，基于双三相PMSG的发电系统包括一台双三相PMSG201，一个基于全桥结构的六相全控整流器202，直流侧正负母线之间两个等值稳压电容203、204，以及一个基于全桥结构的三相逆变器205。输入转矩带动电机旋转，在电机定子绕组中产生交流电流。交流电流经过全控六相整流器202变换为直流电流，再经过逆变器205变为所需幅值和相位的交流电流。当双三相PMSG201中，单相或多相发生开路故障，或者单相或多相逆变器桥臂开关发生开通故障时，可通过控制，使逆变器205在PMSG产生非对称电流的状态下，输出稳定的直流电压和电流。

图3为本发明实施例提供的一种双三相PMSG非对称电流状态下的单层电流控制环控制方式的原理示意图。如图3所示，双三相PMSG发电系统结构中，转速传感器检测到电机的转子位置信息θ，经过处理得到电机旋转角速度ω，与预先设定的转速参考值ω^*相减，输入电流环。采集双三相PMSG的A到F相的各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E和i_F，经过旋转坐标系变换得到电机直轴电流i_d、交轴电流i_q和零序电流i_z，输入电流环。经电流环控制产生直轴电压u_d、交轴电压u_q和零序电压u_z，输出电流环。将这三个输出量u_d、u_q和u_z进行坐标反变换，得到各个相电压的参考值 作为调制波形产生PWM波，驱动全控整流器202进行电能变换，产生稳定的直流电压和电流，维持各种工作状态下的系统稳定运行。

设电机电流矢量为：

I_s＝F·[i_A i_B i_C i_D i_E i_F]^T (1)

其中，I_s为电机电流矢量，F为故障类别矩阵:

其中故障类别矩阵F的对角元素i_A、i_B、i_C、i_D、i_E和i_F依次对应A到F相，健康相位置的取值为1，故障相为0，非对角元素均为0。例如电机A、B相发生开路故障，C、D、E、F相未发生故障时，故障类别矩阵F的对角元素i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F的取值对应为0、0、1、1、1、1。

相位置的正弦矩阵为P_sin＝[0,sinα,sin(4α),sin(5α),sin(8α),sin(9α)]^T，相位置的余弦矩阵为P_cos＝[1,cosα,cos(4α),cos(5α),cos(8α),cos(9α)]^T，其中α＝π/6。为保证电机转速转矩稳定，故障前后电机磁势不变，要求：

其中I表示双三相PMSG正常运行下的相电流幅值。

根据式(3)可求出故障下电机各相电流的唯一解，其均可化成相位为0的正弦和余弦之和。则电机各相电流可表示为

其中，N_F＝[N_F1,N_F2]为短路电流的系数矩阵。因为N_F ⁺I_s＝[I cosθ,I sinθ]^T(其中N_F ⁺为N_F的广义逆矩阵)，而[I cosθ,I sinθ]^T正是非故障状态下理想的定子电流在静止坐标系α-β轴上的分量。因此N_F ⁺就是故障状态下定子电流的静止坐标变换阵，设：

其中N_F1 ⁺、N_F2 ⁺分别为N_F1、N_F2的广义逆矩阵。

故障电流的零序分量应满足与各相分量正交，则：

z₀I_s＝0 (6)

其中z₀为故障电流的零序分量。

则静止坐标系变换阵应为：

其中C_6s/2s为电机故障状态下定子电流的静止坐标系变换阵，Z为根据式(7)可求得的C_6s/2s变换阵零序分量的唯一解。

直轴、交轴变换阵应为：

其中C_6s/2r为电机故障状态下的直轴、交轴变换阵。

双三相PMSG的电压方程为：

其中，U_s＝(U_A,U_B,U_C,U_D,U_E,U_F)^T为双三相PMSG的相电压，R_s为定子绕组，ψ_s＝(ψ_A,ψ_B,ψ_C,ψ_D,ψ_E,ψ_F)^T为电机A到F相的每相磁链，根据磁链公式：

ψ_s＝L_sI_s+ψ_rγ_s (10)

其中，L_s为相电感矩阵，ψ_r为转子主磁链幅值，γ_s为转子位置矩阵。转子位置矩阵γ_s＝[cosθ,cos(θ-α),cos(θ-4α),cos(θ-5α),cos(θ-8α),cos(θ-9α)]。相电感矩阵：

其中，L_l为相绕组漏感，L_m＝0.5×(L_dm+L_qm)，L_a＝0.5×(L_dm-L_qm)，L_dm为相绕组主磁通直轴电感，L_qm为相绕组主磁通交轴电感。

将相电压电流进行变换，U_2r＝C_6s/2rU_s，I_2r＝C_6s/2rI_s。则有：

式中，U_2r＝[U_d，U_q，U_z]^T，I_2r＝[I_d，I_q，I_z]^T，L_d＝3L_m+3L_a，L_q＝3L_m-3L_a，X为由于缺相故障造成的时变矩阵，U_d为所述双三相PMSG的直轴电压期望值，U_q为交轴电压期望值，U_z为零序电压期望值，I_d为所述双三相PMSG的直轴电流期望值，I_q为交轴电流期望值，I_z为零序电流期望值。其中的带定子绕组R_s和相漏感L_l的项不随时间变化，其余各相均随时间变化，且由于时变系数均包含于矩阵X之中，这些项的时变规律相同。因此本发明提供的方法及系统采用的双层电流控制环将式(12)中的非时变部分作为电流环外层的输出，时变部分作为电流环内层的输出，形成双层电流控制环结构，如图4所示。图4为本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统的控制原理图。

如图4所示，本发明提供的方法及系统采用的双层电流控制环(文中也称为双层电流环)的内层输出为：

所述双层电流控制环的外层输出为：

由于所述双层电流环为闭环控制结构，其采用的所有PI控制器参数无需特殊计算，输出值可通过反馈自动达到稳定，因此对其采用的控制公式及原理不再进行赘述。

由于内层电流控制环和外层电流控制环的输出应为线性无关，因此内、外层比例系数和积分系数应各不相同。以直轴电流环内外层为例，参加图4，对于直轴电流内层控制环有：

U_m＝K_Pi1·(i_d ^*-i_d)+K_Ii1·∫(i_d ^*-i_d)dt (15)

其中K_Pi1为直轴电流内层PI控制器的比例系数，K_Ii1为直轴电流内层PI控制器的积分系数。

对于直轴电流外层控制环有：

U_dl＝K_Pi2·(i_d ^*-i_d)+K_Ii2·∫(i_d ^*-i_d)dt (16)

其中K_Pi2为直轴电流外层PI控制器的比例系数，K_Ii2为直轴电流外层PI控制器的积分系数。

显然，内层输出U_m和外层输出U_dl不等且只有唯一解，因此矩阵应为满秩矩阵，即K_Pi1和K_Pi2不等，K_Ii1和K_Ii2不等。

基于图4所示的控制原理，本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统采用双层电流环控制策略，包括基于解耦控制的PMSG直轴电流、交轴电流、零序电流的三个电流环(分别为直轴电流控制环、交轴电流控制环和零序电流控制环)，以及一个PMSG转速控制环。其中直轴电流和交轴电流两个电流环为双层电流环结构，如图4所示。所述的解耦控制原理是将双三相PMSG的各相电流进行旋转坐标变换，得到直轴电流、交轴电流以及零序电流这三个解耦的变量，并分别对其进行控制。

其中，所述的直轴电流控制环为双层结构，包括直轴电流内层控制环和直轴电流外层控制环，其内层输入量为直轴电流i_d，参考值为预先设定，控制原理为直轴电流参考值与实际值i_d之差经直轴电流内层PI控制器401，再用时变矩阵X进行变换，输出量为直轴电压中的时变部分U′_d。其外层输入量为直轴电流i_d，参考值为预先设定，控制原理为直轴电流参考值与实际值i_d之差经直轴电流外层PI控制器402，输出量为直轴电压中的非时变部分U_dl。

所述的交轴电流控制环双层结构，包括交轴电流内层控制环和交轴电流外层控制环，其内层输入量为交轴电流i_q，参考值由速度控制环提供，内层控制原理为交轴电流参考值与实际值i_q之差经交轴电流内层PI控制器403，再用时变矩阵X进行变换，输出量为交轴电压中的时变部分U′_q。其外层输入量为交轴电流i_q，参考值由速度控制环提供，控制原理为交轴电流参考值与实际值i_q之差经交轴电流外层PI控制器404，输出量为交轴电压中的非时变部分U_ql。

所述的零序电流控制环，其输入量为零序电流i_z，参考值为预先设定，控制原理为零序电流参考值与实际值i_z之差经PI控制器(分别为零序电流内层PI控制器405和零序电流外层PI控制器406)，输出量为零序电压U′_z和和U_zl。

所述的转速控制环，其输入量为PMSG的旋转角速度ω，参考值ω^*为预先设定的值，控制原理为零序电流参考值ω^*与实际值ω之差经速度控制环PI控制器407，输出量为交轴电流参考值

基于图4所示的双层电流环控制策略，本发明提出一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统。参见图1，本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法具体包括：

步骤101：获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流。具体包括：

获取所述双三相PMSG的各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F；

所述各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F经过旋转坐标系变换，生成所述双三相PMSG的直轴电流i_d、交轴电流i_q和零序电流i_z。

步骤102：所述直轴电流经过直轴电流内层控制环控制，生成直轴电压中的时变部分。具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流内层PI控制器后，生成直轴电压内层输出值U_m；

采用时变矩阵X对所述直轴电压内层输出值U_m进行矩阵变换，生成所述直轴电压中的时变部分U′_d。

步骤103：所述直轴电流经过直轴电流外层控制环控制，生成直轴电压中的非时变部分。具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流外层PI控制器后，生成所述直轴电压中的非时变部分U_dl。

步骤104：所述交轴电流经过交轴电流内层控制环控制，生成交轴电压中的时变部分。具体包括：

获取所述双三相PMSG的旋转角速度ω和旋转角速度参考值ω^*；

所述旋转角速度参考值ω^*与所述旋转角速度ω之差经过速度控制环PI控制器后，生成交轴电流参考值

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流内层PI控制器后，与所述旋转角速度ω和转子主磁链幅值ψ_r之积ωψ_r相加，生成交轴电压内层输出值U_n；

采用时变矩阵X对所述交轴电压内层输出值U_n进行矩阵变换，生成所述交轴电压中的时变部分U′_q。

步骤105：所述交轴电流经过交轴电流外层控制环控制，生成交轴电压中的非时变部分。具体包括：

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流外层PI控制器后，生成所述交轴电压中的非时变部分U_ql。

步骤106：所述零序电流经过零序电流内层控制环控制，生成零序电压中的时变部分。具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流内层PI控制器后，生成零序电压内层输出值U_o；

采用时变矩阵X对所述零序电压内层输出值U_o进行矩阵变换，生成所述零序电压中的时变部分U′_z。

步骤107：所述零序电流经过零序电流外层控制环控制，生成零序电压中的非时变部分。具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流外层PI控制器后，生成所述零序电压中的非时变部分U_zl。

步骤108：根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值。具体包括：

确定所述直轴电压中的时变部分U′_d与所述直轴电压中的非时变部分U_dl之和为所述双三相PMSG的直轴电压期望值U_d；

确定所述交轴电压中的时变部分U′_q与所述交轴电压中的非时变部分U_ql之和为所述双三相PMSG的交轴电压期望值U_q；

确定所述零序电压中的时变部分U'_z与所述零序电压中的非时变部分U_zl之和为所述双三相PMSG的零序电压期望值U_z；

根据所述直轴电压期望值U_d、所述交轴电压期望值U_q和所述零序电压期望值U_z进行旋转坐标系反变换，生成所述双三相PMSG各相电压的期望值

步骤109：根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。

所述双三相PMSG各相电压的期望值经过PWM驱动全控整流器，调节控制双三相PMSG的各相电流和转速，产生稳定的直流电压和电流，维持各种工作状态下的双三相PMSG发电系统稳定运行。

可见，本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法采用的双层电流环控制策略能够实现双三相永磁同步发电机(permanent magnet synchronousgenerator,PMSG)单相或多相开路故障下的容错运行。当双三相PMSG发生单相或多相开路故障时，电机运行在不对称状态，此时要保持电机的磁势不变，原先为恒定值的直轴电压u_d、交轴电压u_q将变为时变值。本发明采用的双层电流环中，一层用于控制u_d、u_q中的时变部分，另一层用于控制u_d、u_q的非时变部分。与现有技术相比，本发明提供的方法采用的双层电流环控制灵活，结构简单，能够实现PMSG非对称运行下的直轴电流i_d、交轴电流i_q更完全的解耦，更好地达到抑制转矩和转速波动的效果；并且控制结构用普通PI控制器即能实现，计算量亦无明显增加。

本发明还提供一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制系统。图5为本发明提供的双三相永磁同步发电机多相开路故障容错运行控制系统的系统结构图，参加图5，所述控制系统包括：

实测电流获取模501，用于获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流；

直轴电流内层控制环502，用于对所述直轴电流进行直轴电流内层控制，生成直轴电压中的时变部分；

直轴电流外层控制环503，用于对所述直轴电流进行直轴电流外层控制，生成直轴电压中的非时变部分；

交轴电流内层控制环504，用于对所述交轴电流进行交轴电流内层控制，生成交轴电压中的时变部分；

交轴电流外层控制环505，用于对所述交轴电流进行交轴电流外层控制，生成交轴电压中的非时变部分；

零序电流内层控制环506，用于对所述零序电流进行零序电流内层控制，生成零序电压中的时变部分；

零序电流外层控制环507，用于对所述零序电流进行零序电流外层控制，生成零序电压中的非时变部分；

电压期望值生成模块508，用于根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值；

多相开路故障容错运行控制模块509，用于根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。

其中，所述实测电流获取模501具体包括：

实测各相电流获取单元，用于获取所述双三相PMSG的各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F；

电流转换单元，用于将所述各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F经过旋转坐标系变换，生成所述双三相PMSG的直轴电流i_d、交轴电流i_q和零序电流i_z。

所述直轴电流内层控制环502具体包括：

直轴电流参考值获取单元，用于获取直轴电流参考值

直轴电流内层控制单元，用于将所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流内层PI控制器后，生成直轴电压内层输出值U_m；

直轴电流矩阵变换单元，用于采用时变矩阵X对所述直轴电压内层输出值U_m进行矩阵变换，生成所述直轴电压中的时变部分U′_d。

直轴电流外层控制环503，具体包括：

直轴电流参考值获取单元，用于获取直轴电流参考值

直轴电流外层控制单元，用于将所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流外层PI控制器后，生成直轴电压中的非时变部分U_dl。

交轴电流内层控制环504，具体包括：

角速度获取单元，用于获取所述双三相PMSG的旋转角速度ω和旋转角速度参考值ω^*；

速度控制单元，用于将所述旋转角速度参考值ω^*与所述旋转角速度ω之差经过速度控制环PI控制器后，生成交轴电流参考值

交轴电流内层控制单元，用于将所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流内层PI控制器后，与所述旋转角速度ω和转子主磁链幅值ψ_r之积ωψ_r相加，生成交轴电压内层输出值U_n；

交轴电流矩阵变换单元，用于采用时变矩阵X对所述交轴电压内层输出值U_n进行矩阵变换，生成所述交轴电压中的时变部分U′_q。

交轴电流外层控制环505，具体包括：

交轴电流外层控制单元，用于将所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流外层PI控制器后，生成交轴电压中的非时变部分U_ql。

零序电流内层控制环506，具体包括：

零序电流参考值获取单元，用于获取零序电流参考值

零序电流内层控制单元，用于将所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流内层PI控制器后，生成零序电压内层输出值U_o；

零序电流矩阵变换单元，用于采用时变矩阵X对所述零序电压内层输出值U_o进行矩阵变换，生成所述零序电压中的时变部分U'_z。

零序电流外层控制环507，具体包括：

零序电流参考值获取单元，用于获取零序电流参考值

零序电流外层控制单元，用于将所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流外层PI控制器后，生成零序电压中的非时变部分U_zl。

所述电压期望值生成模块508具体包括：

直轴电压期望值确定单元，用于确定所述直轴电压中的时变部分U′_d与所述直轴电压中的非时变部分U_dl之和为双三相PMSG的直轴电压期望值U_d；

交轴电压期望值确定单元，用于确定所述交轴电压中的时变部分U′_q与所述交轴电压中的非时变部分U_ql之和为双三相PMSG的交轴电压期望值U_q；

零序电压期望值确定单元，用于确定所述零序电压中的时变部分U′_z与所述零序电压中的非时变部分U_zl之和为双三相PMSG的零序电压期望值U_z；

各相电压期望值转换单元，用于根据所述直轴电压期望值U_d、所述交轴电压期望值U_q和所述零序电压期望值U_z进行旋转坐标系反变换，生成所述双三相PMSG各相电压的期望值

本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统基于解耦控制原理，能够实现双三相永磁同步发电机任意单相、或任意四相及四相以下多相开路故障下的容错运行。采用的双层电流环控制策略的控制原理基于解耦控制，控制对象为经旋转坐标系变换得到的PMSG直轴电流、交轴电流和零序电流，以及PMSG的旋转角速度。其中直轴电流、交轴电流和零序电流分别采用一个独立的电流控制环进行闭环解耦控制，直轴电流参考值为人为设定，交轴电流参考值由速度控制环提供，零序电流参考值为人为设定。其中直轴电流控制环的内层为直轴电流参考值与实际值之差经PI控制器，再用时变矩阵X进行变换，得到直轴电压中的时变部分。直轴电流控制环的外层为直轴电流参考值与实际值之差经PI控制器，得到直轴电压中的非时变部分。交轴电流控制环的内层为交轴电流参考值与实际值之差经PI控制器，再用时变矩阵X进行变换，得到交轴电压中的时变部分。交轴电流控制环的外层为交轴电流参考值与实际值之差经PI控制器，得到交轴电压中的非时变部分。PMSG的旋转角速度参考值与实际值之差经PI控制器，得到交轴电流的参考值。零序电流控制环为直轴电流参考值与实际值之差经PI控制器，得到零序电压。采用的双层电流环控制策略能够很好的解决双三相PMSG单相或多相定子绕组开路所造成的电机不对称运行状态下，由于解耦控制中解耦不完全而造成的相电流畸变、电机转速转矩波动等问题。

下面通过仿真验证本发明提供的双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法及系统的控制效果。分别应用图6所示的单层电流环和本发明采用的双层电流环(如图4所示)对发生任意单相、两相、三相以及四相开路的双三相PMSG系统进行仿真，以单相(f相)、两相(e相和f相)、三相(c相、e相和f相)以及四相(c相、d相、e相和f相)开路的双三相PMSG系统为例，发生故障时刻相电流、电磁转矩以及电机旋转角速度变化波形如图7至图27所示。其中图7至图27的横坐标均为时间，单位为秒。图7、10、13、16、19、22、25纵坐标均为相电流，单位为A。图8、11、14、17、20、23、26纵坐标为电磁转矩，单位为Nm。图9、12、15、18、21、24、27纵坐标为电机旋转角速度，单位为rad/s。图7至图27所示的仿真结果表明，相较于传统的单层电流环控制策略，本发明采用的双层电流环使相电流中的谐波含量明显较少，电磁转矩和电机旋转角速度的波动都得到了有效抑制。证明本发明采用的双层电流环控制能够有效减少电机相电流谐波含量，明显抑制电机电磁转矩和旋转角速度的波动。

与现有技术相比，本发明提供的方法及系统至少具有以下优点：

1)本发明提供的方法及系统能够使单相或多相开路故障下非对称运行的PMSG的直轴、交轴电流解耦更加完全，控制效果更加稳定。

2)本发明提供的方法及系统能够使电机相电流谐波含量明显减少，发出电能质量更高。

3)本发明提供的方法及系统能够使PMSG产生更稳定的电磁转矩，有效地抑制转矩和转速波动。

4)本发明提供的方法及系统在达到以上较为良好的控制效果的同时，保持了比较简单的控制结构，以及比较小的控制所需计算量，可调参数少，便于控制且节省资源。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：

获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流；

所述直轴电流经过直轴电流内层控制环控制，生成直轴电压中的时变部分；

所述直轴电流经过直轴电流外层控制环控制，生成直轴电压中的非时变部分；

所述交轴电流经过交轴电流内层控制环控制，生成交轴电压中的时变部分；

所述交轴电流经过交轴电流外层控制环控制，生成交轴电压中的非时变部分；

所述零序电流经过零序电流内层控制环控制，生成零序电压中的时变部分；

所述零序电流经过零序电流外层控制环控制，生成零序电压中的非时变部分；

根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值；

根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述获取双三相PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流具体包括：

获取所述双三相PMSG的各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F；

所述各相电流i_A、i_B、i_C、i_D、i_E、i_F经过旋转坐标系变换，生成所述双三相PMSG的直轴电流i_d、交轴电流i_q和零序电流i_z。

3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述直轴电流经过直轴电流内层控制环控制，生成直轴电压中的时变部分，具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流内层PI控制器后，生成直轴电压内层输出值U_m；

采用时变矩阵X对所述直轴电压内层输出值U_m进行矩阵变换，生成所述直轴电压中的时变部分U′_d。

4.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述直轴电流经过直轴电流外层控制环控制，生成直轴电压中的非时变部分，具体包括：

获取直轴电流参考值

所述直轴电流参考值与所述直轴电流i_d之差经过直轴电流外层PI控制器后，生成所述直轴电压中的非时变部分U_dl。

5.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述交轴电流经过交轴电流内层控制环控制，生成交轴电压中的时变部分，具体包括：

获取所述双三相PMSG的旋转角速度ω和旋转角速度参考值ω^*；

所述旋转角速度参考值ω^*与所述旋转角速度ω之差经过速度控制环PI控制器后，生成交轴电流参考值

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流内层PI控制器后，与所述旋转角速度ω和转子主磁链幅值ψ_r之积ωψ_r相加，生成交轴电压内层输出值U_n；

采用时变矩阵X对所述交轴电压内层输出值U_n进行矩阵变换，生成所述交轴电压中的时变部分U′_q。

6.如权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述交轴电流经过交轴电流外层控制环控制，生成交轴电压中的非时变部分，具体包括：

所述交轴电流参考值与所述交轴电流i_q之差经过交轴电流外层PI控制器后，生成所述交轴电压中的非时变部分U_ql。

7.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述零序电流经过零序电流内层控制环控制，生成零序电压中的时变部分，具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流内层PI控制器后，生成零序电压内层输出值U_o；

采用时变矩阵X对所述零序电压内层输出值U_o进行矩阵变换，生成所述零序电压中的时变部分U′_z。

8.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述零序电流经过零序电流外层控制环控制，生成零序电压中的非时变部分，具体包括：

获取零序电流参考值

所述零序电流参考值与所述零序电流i_z之差经过零序电流外层PI控制器后，生成所述零序电压中的非时变部分U_zl。

9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值，具体包括：

确定所述直轴电压中的时变部分U′_d与所述直轴电压中的非时变部分U_dl之和为所述双三相PMSG的直轴电压期望值U_d；

确定所述交轴电压中的时变部分U′_q与所述交轴电压中的非时变部分U_ql之和为所述双三相PMSG的交轴电压期望值U_q；

确定所述零序电压中的时变部分U′_z与所述零序电压中的非时变部分U_zl之和为所述双三相PMSG的零序电压期望值U_z；

根据所述直轴电压期望值U_d、所述交轴电压期望值U_q和所述零序电压期望值U_z进行旋转坐标系反变换，生成所述双三相PMSG各相电压的期望值

10.一种双三相PMSG多相开路故障容错运行控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：

实测电流获取模块，用于获取双三相永磁同步发电机PMSG的直轴电流、交轴电流和零序电流；

直轴电流内层控制环，用于对所述直轴电流进行直轴电流内层控制，生成直轴电压中的时变部分；

直轴电流外层控制环，用于对所述直轴电流进行直轴电流外层控制，生成直轴电压中的非时变部分；

交轴电流内层控制环，用于对所述交轴电流进行交轴电流内层控制，生成交轴电压中的时变部分；

交轴电流外层控制环，用于对所述交轴电流进行交轴电流外层控制，生成交轴电压中的非时变部分；

零序电流内层控制环，用于对所述零序电流进行零序电流内层控制，生成零序电压中的时变部分；

零序电流外层控制环，用于对所述零序电流进行零序电流外层控制，生成零序电压中的非时变部分；

电压期望值生成模块，用于根据所述直轴电压中的时变部分、所述直轴电压中的非时变部分、所述交轴电压中的时变部分、所述交轴电压中的非时变部分、所述零序电压中的时变部分和所述零序电压中的非时变部分生成所述双三相PMSG各相电压的期望值；

多相开路故障容错运行控制模块，用于根据所述双三相PMSG各相电压的期望值控制所述双三相PMSG的各相电流和转速至稳定工作状态。