CN110011588A - 一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法。首先，通过电压调节器获得参考转矩T_e ^ref，根据i_d＝0的控制方式和磁链方程计算得到定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值；然后，根据预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量，利用(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量的参考值和预测值建立价值函数；最后，通过最小化价值函数获得逆变器最优开关信号。本发明方法避免了价值函数中权重系数的选择，降低了系统复杂度，并且有效解决了开绕组电机共直流母线结构中零序电流的问题。

Description

一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法

技术领域

本发明涉及一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，属于电机驱动及控制领域。

背景技术

开绕组电机是将传统三相电机的中性点打开，构成具有双端口的绕组开放式结构，电机的磁路及结构没有改变，开绕组结构电机不改变传统电机的基本性能，并且由于中性点打开之后各项电机绕组之间的约束关系不再存在，各项绕组独立，可以在一定程度上提高电机本体的可靠性和电机驱动系统的容错能力。电机的两个接口分别接入变流器，通过两端口的变流器协调控制，可以将功率分配到两个变流器上，较好的满足了大功率电机系统对变流器的需求，因此开绕组电机控制技术的研究成为当前交流电机研究的重要拓展方向。

然而，在开绕组结构的电机中，控制器需要对更多的开关器件进行开关控制，一方面加大了控制系统的复杂性，另一方面对控制信号实时性有了更高的要求。为降低开绕组电机系统的复杂性，一种半控型开绕组电机系统被提出，即采用一组二极管整流桥与一组电压源型逆变器接至开绕组电机两端。由于该拓扑可控开关器件数量为传统开绕组PMSG系统的一半，从而减少了系统控制的复杂度。但是对于这种半控型开绕组电机系统而言，在共直流母线的情况下，变流器调制产生的共模电压以及反电势三次谐波导致系统产生环流的零序电流，给系统带来了额外的铜耗、温升及转矩波动等负面效应，因此在开绕组电机的控制中，对零序电流的抑制是一个重要内容。

基于以上考虑，为了抑制零序电流，有人提出了在三相回路上串电感来抑制三次及更高次谐波电流的大小，然而串入电感会增加系统硬件成本和复杂度，同时，也会增加系统的损耗和无功功率。也有人提出，使用电压空间矢量调制时，采用无共模电压的矢量进行调制，消除逆变器产生的零序电压，此方法适用于感应电机，然而针对于永磁电机，永磁体反电势中存在三次谐波得不到抑制，同时该方法只是基于开环控制，易受各种扰动影响，误差较大。

发明内容

技术问题：针对上述现有技术，提出一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，能够有效抑制共直流母线结构开绕组永磁电机的零序电流，并且避免了价值函数中权重系数的选择，降低了系统复杂度。

技术方案：一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，包括如下步骤：首先，通过电压调节器获得参考转矩T_e ^ref，根据定子电流d轴分量i_d＝0的控制方式和磁链方程计算得到定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值再利用编码器获得永磁同步电机的电角度θ并对k时刻的三相定子电流进行Park坐标变换，得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)；然后，根据预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量幅值，利用(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)、ψ₀(k+1)建立价值函数；最后，通过最小化价值函数获得逆变器最优开关信号。

进一步的，将给定的负载电压与实际测量的负载电压u_dc差值e_n输入电压调节器，根据公式(1)获得参考转矩T_e ^ref；

式中，k_p和k_i分别为电压调节器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

进一步的，先根据公式(2)求得用所述参考转矩T_e ^ref表示的定子电流q轴分量i_q，并代入磁链方程(3)中，再结合i_d＝0控制方式，根据公式(4)和公式(5)获得定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref；

式中，n_p为极对数；ψ_f1和ψ_f3分别为转子磁链的基波分量和三次谐波分量；L_d、L_q为直、交轴电感；ψ_d、ψ_q、ψ₀分别是定子磁链d轴、q轴和零轴分量；ψ_s是定子磁链幅值；δ是负载角；L₀是零序电感；i₀是零序电流；分别是定子磁链d轴和q轴分量幅值参考值。

进一步的，将所述定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref代入公式(6)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值再令零序电流i₀＝0，然后根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链零轴分量幅值参考值

式中，δ^ref(k+1)为(k+1)时刻负载角参考值，近似为δ^ref；θ^ref(k+1)为(k+1)时刻电机电角度参考值。

进一步的，将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)输入模型预测控制模块，根据公式(8)获得(k+1)时刻的预测模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)和ψ₀(k+1)；

式中，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值，T_s表示采样时间；R为定子电阻；ω为转子角速度，u_d(k)、u_q(k)、u₀(k)分别为k时刻基本电压矢量d轴、q轴和零轴分量。

进一步的，将(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值 和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)、ψ₀(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数g_i，依次代入逆变器电压矢量模块中的基本电压矢量u_i，当价值函数g_i取最小值时对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_abc；

式中，i＝{1,…,8}。

有益效果：本发明基于开绕组结构的永磁同步发电机，采用共直流母线结构，通过设计包含零序电流的价值函数达到抑制零序电流的目的，只涉及一个直流电源且不需要隔离，抑制零序电流只是在控制方法上改动，不需要增加系统硬件成本。本发明提出的控制方法相比于传统技术，减小了系统复杂度，降低了成本，有效解决了永磁体反电势含有三次谐波引起的零序电流的问题。

附图说明

图1为本发明的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法原理图；

图2为本发明的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法流程图；

图3为本发明的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法矢量图；

图4为本发明提供的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法的零序电流抑制效果图；

图5为本发明提供的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制稳态仿真图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法所基于的系统如图1所示，包括电压调节器1、价值函数模块2、逆变器3、永磁同步电机4、整流桥5、坐标变换模块6、整流桥电压矢量模块7、模型预测控制模块8和逆变器电压矢量模块9。

本方法包括如下步骤：

步骤1：通过电压调节器获得参考转矩T_e ^ref：

将给定的负载电压与实际测量的负载电压u_dc差值e_n输入电压调节器，根据公式(1)获得参考转矩T_e ^ref；

式中，k_p和k_i分别为电压调节器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

步骤2：根据定子电流d轴分量i_d＝0的控制方式和磁链方程计算得到定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref：

先根据公式(2)求得用参考转矩T_e ^ref表示的定子电流q轴分量i_q，并代入磁链方程(3)中，再结合i_d＝0控制方式，根据公式(4)和公式(5)获得定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref；

式中，n_p为极对数；ψ_f1和ψ_f3分别为转子磁链的基波分量和三次谐波分量；L_d、L_q为直、交轴电感；ψ_d、ψ_q、ψ₀分别是定子磁链d轴、q轴和零轴分量；ψ_s是定子磁链幅值；δ是负载角；L₀是零序电感；i₀是零序电流；分别是定子磁链d轴和q轴分量幅值参考值。

步骤3：计算得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值

将定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref代入公式(6)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值再令公式(3)中零序电流i₀＝0，然后根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链零轴分量幅值参考值

式中，δ^ref(k+1)为(k+1)时刻负载角参考值，近似为δ^ref；θ^ref(k+1)为(k+1)时刻电机电角度参考值。

步骤4：利用编码器获得永磁同步电机的电角度θ并对k时刻的三相定子电流进行Park坐标变换，得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)；然后，将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)输入模型预测控制模块，根据公式(8)获得(k+1)时刻的预测模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)和ψ₀(k+1)；

式中，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值，T_s表示采样时间；R为定子电阻；ω为转子角速度，u_d(k)、u_q(k)、u₀(k)分别为k时刻基本电压矢量d轴、q轴和零轴分量。

步骤5：选择逆变器最优开关信号：

将(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值 和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)、ψ₀(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数g_i，依次代入逆变器电压矢量模块中的基本电压矢量u_i，当价值函数g_i取最小值时对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_abc；

式中，i＝{1,…,8}。

步骤6：逆变器输出最优开关状态到电机。

半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制仿真结果如图4、图5所示。图4为半控型开绕组永磁同步发电系统零序电流抑制效果图，从图4中可以看出，0.5s之前未考虑零序电流抑制，零序电流幅值接近2.5A，0.5s之后，价值函数中考虑零序电流误差，零序电流得到有效抑制，幅值降至接近0A。图5为半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制稳态仿真图，从图5中可以看出，直流母线电压可以有效跟踪所需电压，且零序电流抑制效果明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，通过电压调节器获得参考转矩T_e ^ref，根据定子电流d轴分量i_d＝0的控制方式和磁链方程计算得到定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref，进而得到(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值再利用编码器获得永磁同步电机的电角度θ并对k时刻的三相定子电流进行Park坐标变换，得到k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)；然后，根据预测模型并结合磁链方程在线预测(k+1)时刻定子磁链的d轴、q轴和零轴分量幅值，利用(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)、ψ₀(k+1)建立价值函数；最后，通过最小化价值函数获得逆变器最优开关信号。

2.根据权利要1所述的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，将给定的负载电压与实际测量的负载电压u_dc差值e_n输入电压调节器，根据公式(1)获得参考转矩T_e ^ref；

式中，k_p和k_i分别为电压调节器的比例增益和积分增益，s表示复变量。

3.根据权利要1所述的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，先根据公式(2)求得用所述参考转矩T_e ^ref表示的定子电流q轴分量i_q，并代入磁链方程(3)中，再结合i_d＝0控制方式，根据公式(4)和公式(5)获得定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref；

式中，n_p为极对数；ψ_f1和ψ_f3分别为转子磁链的基波分量和三次谐波分量；L_d、L_q为直、交轴电感；ψ_d、ψ_q、ψ₀分别是定子磁链d轴、q轴和零轴分量；ψ_s是定子磁链幅值；δ是负载角；L₀是零序电感；i₀是零序电流；分别是定子磁链d轴和q轴分量幅值参考值。

4.根据权利要1所述的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，将所述定子磁链幅值参考值ψ_s ^ref和负载角参考值δ^ref代入公式(6)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴分量幅值参考值再令零序电流i₀＝0，然后根据公式(7)获得(k+1)时刻定子磁链零轴分量幅值参考值

式中，δ^ref(k+1)为(k+1)时刻负载角参考值，近似为δ^ref；θ^ref(k+1)为(k+1)时刻电机电角度参考值。

5.根据权利要1所述的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，将k时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量i_d(k)、i_q(k)、i₀(k)输入模型预测控制模块，根据公式(8)获得(k+1)时刻的预测模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)和ψ₀(k+1)；

式中，i_d(k+1)、i_q(k+1)、i₀(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴、q轴和零轴分量的预测值，T_s表示采样时间；R为定子电阻；ω为转子角速度，u_d(k)、u_q(k)、u₀(k)分别为k时刻基本电压矢量d轴、q轴和零轴分量。

6.根据权利要1所述的半控型开绕组永磁同步发电机模型预测磁链控制方法，其特征在于，将(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值参考值 和(k+1)时刻定子磁链d轴、q轴和零轴分量幅值预测值ψ_d(k+1)、ψ_q(k+1)、ψ₀(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数g_i，依次代入逆变器电压矢量模块中的基本电压矢量u_i，当价值函数g_i取最小值时对应的基本电压矢量确定为最优基本电压矢量根据开关状态与基本电压矢量关系获得最优开关状态S_abc；

式中，i＝{1,…,8}。