CN109951120A - 基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，所述方法包括以下步骤：通过改善电流过零极性判断，即通过虚拟电流过零检测，在每相电流进入预设的电流界限时，使用其参考值代替实际值，得到更加精确的电流判断结果；在电压与电流保持相同极性时，通过零序电流分段注入对零序电流进行抑制；在电压与电流发生不同极性情况时，注入相应的零序电流，改变电流的过零时刻，使电流始终与电压保持相同极性；通过对零序电流的控制，解决功率因数角不为零时的电流钳位问题。本发明有效地控制零序电流，解决电机运行时存在的电流过零钳位问题，并提升运行稳定性，研究适应半控型开绕组永磁电机的最佳控制策略具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及电机系统及控制领域，尤其涉及一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法。
背景技术
与传统电机Δ型或Y型连接的定子绕组不同，开绕组电机的三相定子绕组彼此独立，并且由两个电压源变流器单独供电。电机传输的功率由两个变流器共同分担，降低了开绕组电机系统对变流器的容量要求，提高了开绕组电机系统冗余性、容错性和控制灵活性；同时，开绕组结构也更加适用于大功率电机驱动是逆变器五电平场合。在最近的研究工作中，研究人员提出了一种等效的五电平电压输出效果和一种等效七电平电压输出效果的逆变器。但是，这些结构均采用了多个开关器件，会引起不可避免的问题，例如：导通损耗增加，驱动电路复杂，控制策略复杂等。
为了简化逆变器结构，减少开关器件数量，研究人员提出了一种由三相全控型电压源变流器和三相不可控二极管整流器组成的半控型开绕组电机拓扑结构，并用于开绕组永磁电机的功率转换。这种半控型开绕组永磁电机在零功率因数角模式下具有出色的控制性能。但是，在此拓扑结构下，当两个变流器由同一个直流电源供电时，直流母线、变流器与电机绕组之间形成回路，当变流器输出电压含有共模分量时会在回路中产生零序电流。不受控制的零序电流流过定子绕组，会增加电机损耗，降低开绕组电机系统性能并且对电机轴和开关器件造成危害。
此外，当半控型开绕组永磁电机工作在非零功率因数角模式下时，相电压和相电流波形存在相位差，当相电压和相电流的极性相反时，开绕组电机系统处于不可控状态，导致在电机运行过程中出现相电流过零钳位问题，进而引发转矩波动、二极管整流器输出电压脉冲，零序电流抑制效果变差，甚至引发电机系统不稳定运行问题。
同时，在电机实际运行过程中，由于有限的采样频率和不可避免的采样噪声，三相电流的极性将在过零点处发生振荡，导致变流器产生错误的电压矢量并且恶化电机运行性能。
发明内容
本发明提供了一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，本发明有效地控制零序电流，解决电机运行时存在的电流过零钳位问题，并提升运行稳定性，研究适应半控型开绕组永磁电机的最佳控制策略具有重要意义，详见下文描述：
一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
通过改善电流过零极性判断，即通过虚拟电流过零检测，在每相电流进入预设的电流界限时，使用其参考值代替实际值，得到更加精确的电流判断结果；
在电压与电流保持相同极性时，通过零序电流分段注入对零序电流进行抑制；
在电压与电流发生不同极性情况时，注入相应的零序电流，改变电流的过零时刻，使电流始终与电压保持相同极性；
通过对零序电流的控制，解决功率因数角不为零时的电流钳位问题。
进一步地，所述注入相应的零序电流具体为：
注入A相的零序电流为：
其中，
Aref、id,ref和iq,ref分别代表参考电流矢量的幅值、d轴和q轴参考电流；代表相电压超前相电流的角度；ωe为电角速度；B相和C相的零序电流分别滞后A相120°和240°。
其中，所述通过虚拟电流过零检测具体为：
当电流进入设定的电流界限时，用相电流的参考值代替实际值，减少可控侧变流器产生的电压矢量震荡。
具体实现时，所述用于极性判断的虚拟A相电流具体为：
式中，ia是A相采样电流，ithr是电流界限，ia,ref是A相参考电流。
进一步地，所述A相参考电流ia,ref具体为：
其中，ia,ref包括α轴分量和零序电流分量，可通过控制零序电流来控制电流过零点时刻。
在A相电流相角满足或关系时，注入零序电流，同时，
当相角满足或时，零序电流应被抑制。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明通过虚拟过零检测方法，可以得到更加精确的电流判断结果，并通过分段注入零序电流的方法实现了对零序电流的有效控制，解决了功率因数角不为零时的电流钳位问题；
2、本发明提高了电机运行效率，降低了转矩波动，消除了电压脉冲，对半控型开绕组永磁电机的性能有较为明显的改善。
附图说明
图1为半控型开绕组永磁电机的系统结构图；
图2为半控型开绕组永磁电机的等效电路图；
图3为基本电压矢量分布图；
其中，(a)为可控电压源变流器的基本电压矢量分布图；(b)为不可控二极管整流器的基本电压矢量分布图。
图4为零序电流分段注入方法的原理图；
图5为虚拟过零检测的原理图；
图6为半控型开绕组永磁电机系统控制策略框图；
图7为零序电流分段注入方法的实验结果图。
其中，(a)为三相电流、A相电流和不可控二极管整流器A相输出电压波形图；(b)为dq轴电流和零序电流波形图。
表1是电流极性与二极管整流器产生的电压矢量对应关系表。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，该控制方法包括以下步骤：
101：通过改善电流过零极性判断，即通过虚拟电流过零检测的方法，在每相电流进入预设的电流界限时，使用其参考值代替实际值，得到更加精确的电流判断结果；
102：提出零序电流分段注入方法，该方法在电压与电流保持相同极性时，对零序电流进行抑制；
其中，当电压与电流两者极性都是正或者都是负时，半控型开绕组电机系统才处于可控状态，此时对零序电流进行抑制。
103：在电压与电流发生不同极性情况时注入相应的零序电流，改变电流的过零时刻，使其始终与电压保持相同极性；
即，当电压参考值极性为正，电流参考值极性为负，此时将会发生钳位现象，通过加入相应的零序电流，抬高了电流参考值，使电流参考值极性也为正，这样电压电流参考值就一直保持相同的极性。
104：通过对零序电流的有效控制，解决了功率因数角不为零时的电流钳位问题。
综上所述，本发明实施例通过虚拟过零检测得到更加精确的电流判断结果，并通过分段注入零序电流实现了对零序电流的有效控制，解决了功率因数角不为零时的电流钳位问题。
实施例2
图1所示为半控型开绕组永磁电机系统结构图，Udc代表直流母线电压。从图1可以看出，将传统永磁电机Y型连接绕组的中性点打开，绕组两端分别接可控电压源变流器和不可控二极管整流器，两个变流器共同连接在一个直流电压源两侧，即为半控型开绕组永磁电机结构。定义从不可控二级管整流器流向可控电压源变流器的三相电流极性为正，对应的等效电路如图2所示。在三相静止坐标系下，定子电压可表示为：
式中，ua、ub和uc为三相定子电压；ia、ib和ic为三相电流；ea、eb和ec为三相反电势；ua1、ub1和uc1分别表示电压源变流器三相输出电压。ua2、ub2和uc2分别表示二极管整流器三相输出电压。L和R分别代表相电感和电阻，uMN代表节点M和N之间的电压。ua1N1表示节点a1和N1之间的电压；uc2N2表示节点c2和N2之间的电压，以此类推。
例如，uN1N2代表节点N1和N2之间的电位差。特别的，电压源变流器三相输出电压可以表示为：
式中，Si表示电压源变流器中开关器件的开关状态。Si＝1表明上桥臂的开关器件处于导通状态，Si＝0表明下桥臂的开关器件处于导通状态，Udc表示直流母线电压。
此外，不可控二极管整流器的三相输出电压由电流极性确定，可以表示为：
式中，符号函数sgn()可表示为：
可控电压源变流器和不可控二极管整流器分别产生的共模电压可以表示为：
因此，节点N1和N2之间的电压差可以表示为：
uN1N2＝ucmv,vsc-ucmv,dio (7)
将式(2)和(3)代入到式(1)，三相电压可以改写为：
此外，根据式(1)、(2)和(3)，由电压源变流器调制的参考电压矢量uvsc和二极管整流器产生的udio在αβ0坐标系下可以表示为：
因此，两个变流器共同作用下的合成电压矢量uref可以表示为：
uref＝uvsc-udio (10)
不可控二极管整流器产生的电压矢量是由三相电流极性所决定的。三相电流极性与电压矢量的关系如表1所示，表1中N和P分别代表电流的负极性和正极性。
表1电流极性与二极管整流器产生的电压矢量对应关系
图3(a)为可控电压源变流器的基本电压矢量分布图；图3(b)为不可控二极管整流器的基本电压矢量分布图。从图3(b)可以看出，对于不可控二极管整流器而言，只能产生六个不同的电压矢量。
由于半控型开绕组永磁电机系统中存在零序回路，在特定的情况下可以产生零序电流i0。在考虑零序电流分量后，同步旋转坐标系(即dq0坐标系)下的电压方程可以表示为：
式中，下标d、q和0分别代表坐标系下的对应分量，下标vsc和dio代表可控电压源变流器和不可控二极管整流器的对应分量。ωe为电角速度，为转子位置的电角度。ψf和ψf3分别代表转子磁链的基波和三次谐波分量。
当功率因数角不为零时，相电压与相电流存在相位差，当相电压与相电流极性相反时，半控型开绕组永磁电机系统处于不可控状态，参考电压矢量不能被正常调制，同时产生电流钳位问题。
为了解决这个问题且更好的抑制零序电流，本方法提出了分段注入零序电流法，其原理如图4所示。当相电压与相电流极性相同时，半控型开绕组永磁电机系统工作在可控状态。在此情况下，零序电流可以得到较好的抑制。当相电压与相电流极性相反时，此时注入零序电流，来改变相电流的过零点时刻，使得相电压和相电流始终保持相同极性。因此，电流过零点钳位现象可以被避免，整个电机系统将始终处于可控状态。
当考虑三相电流中的零序分量时，A相电流可以表示为：
ia＝iχ+i0 (12)
式中，iχ和i0分别表示α轴和零序电流分量。
通过dq轴参考电流，参考电流矢量的幅值和初相位可以获取到幅值，幅值的计算表达式可以表示为：
式中，Aref、id,ref和iq,ref分别代表参考电流矢量的幅值、d轴和q轴参考电流。此外，初相位可以表示为：
参考电流矢量的α轴分量可以表示为：
式中，ωe为电角速度。
注入的零序电流i0,ref可以表示为：
Bref和分表代表注入零序电流的幅值和初相位。将式(15)和(16)带入到(12)，A相参考电流可以表示为：
由上式可以看出，A相参考电流包括α轴分量和零序电流分量。所以，可以通过控制零序电流来控制电流过零点时刻。
如图4所示，假设相电压超前相电流角度当零序电流被抑制时，A相电流在t时刻过零。为了使相电压和相电流保持相同极性，A相电流的零点位置应提前角度。假设在零序电流注入后，A相电流在t'时刻过零，其相角关系应满足t'可被计算出来，为：
因此，在t'时刻，式(17)可以改写为：
解方程(19)，通过移向化简即可得出Bref：
为了减小半控型开绕组永磁电机系统中注入零序电流的影响，Bref应尽可能减小，即应满足此时，Bref和可以写为：
因此，所需注入的谐波电流可由式(16)和(21)获得，之后为了实现分段注入零序电流，仍需计算其注入时刻。以A相电流为例，当零序电流被抑制时，根据式(12)和(15)可知，
由图4可知，在一个周期内A相电流相角满足或时，A相电流为零。为使电流提前过零，应在A相电流相角满足或 关系时，注入零序电流，同时，当相角满足或 时，零序电流应被抑制。
综上可知，注入A相电流的零序电流可以表示为：
考虑到B相和C相分别滞后A相120°和240°，以同样的方法，可以计算出注入B相和C相的零序电流时刻。
此外，考虑到半控型开绕组永磁电机系统中存在非理想因素，电流过零时会在零点附近振荡，其极性时正时负，导致电流极性的误判，变流器会因此产生错误的电压矢量并且恶化电机运行性能。
为了避免扰动带来的影响，本方法提出了虚拟过零检测的方法。如图5所示，在电流过零处的极性检测时，当电流进入设定的电流界限时，用相电流的参考值代替实际值，减少可控侧变流器产生的电压矢量震荡。通过此方法，可以实现更加精确的电流极性判断，并减少电流状态和其所在扇区的误判。
由上述分析可知，用于极性判断的电流ia,jud可以表示为：
式中，ia是A相采样电流，ithr是电流界限，ia,ref是A相参考电流。
综上所述，本发明实施例通过虚拟过零检测得到更加精确的电流判断结果，并通过分段注入零序电流实现了对零序电流的有效控制，解决了功率因数角不为零时的电流钳位问题。
实施例3
下面结合图7对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：
图7为零序电流分段注入的方法有效性实验结果验证。实验条件为：半控型开绕组永磁电机转速为150r/m，对应的三相电流周期为0.2秒；id,ref＝0.9A，iq,ref＝4A，零序电流被抑制时其参考值i0,ref＝0A，被注入时，其参考值i0,ref＝0.7A，功率因数角PFA＝10°；
图7(a)中表示的为三相电流，A相电流和不可控二极管整流器A相输出电压；图7(b)中表示的为dq轴电流和零序电流。
从图7(a)中可以看出，在每个周期内需要注入六次零序电流，对应三相电流的六次过零时刻；同时，在分段注入零序电流之后，对应的相电压和相电流的极性始终保持相同，解决了电流的钳位问题，同时不可控二极管整流器的输出电压脉冲也被消除。从图7(b)中可以看出，稳态时，dq轴电流在参考值附近小幅度波动；此外，为使三相电流的过零点提前，零序电流在每个周期内被注入六次。
通过上述实验验证了本方法的可行性，满足了实际应用中的需要。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：
通过改善电流过零极性判断，即通过虚拟电流过零检测，在每相电流进入预设的电流界限时，使用其参考值代替实际值，得到更加精确的电流判断结果；
在电压与电流保持相同极性时，通过零序电流分段注入对零序电流进行抑制；
在电压与电流发生不同极性情况时，注入相应的零序电流，改变电流的过零时刻，使电流始终与电压保持相同极性；
通过对零序电流的控制，解决功率因数角不为零时的电流钳位问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，所述注入相应的零序电流具体为：
注入A相的零序电流为：
其中，
Aref、id,ref和iq,ref分别代表参考电流矢量的幅值、d轴和q轴参考电流；代表相电压超前相电流的角度；ωe为电角速度；B相和C相的零序电流分别滞后A相120°和240°。
3.根据权利要求2所述的一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，所述通过虚拟电流过零检测具体为：
当电流进入设定的电流界限时，用相电流的参考值代替实际值，减少可控侧变流器产生的电压矢量震荡。
4.根据权利要求3所述的一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，所述用于极性判断的虚拟A相电流具体为：
式中，ia是A相采样电流，ithr是电流界限，ia,ref是A相参考电流。
5.根据权利要求4所述的一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，所述A相参考电流ia,ref具体为：
ia,ref＝Arefcos(ωet+θ0)+Brefcos(3ωet+θ)
其中，ia,ref包括α轴分量和零序电流分量，可通过控制零序电流来控制电流过零点时刻。
6.根据权利要求5所述的一种基于零序电流分段注入的半控型开绕组永磁电机控制方法，其特征在于，
在A相电流相角满足或关系时，注入零序电流，同时，
当相角满足或时，零序电流被抑制。
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