CN110829922B - 一种半控型开绕组pmsg双矢量模型预测磁链控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法。首先，通过电压调节器获得电磁转矩参考值，计算MTPA控制下(k+1)时刻定子磁链d‑q轴分量幅值参考值；然后构建冗余矢量判据，预先对开绕组电机系统的零序电流进行抑制；结合预测模型，利用(k+1)时刻定子磁链d‑q轴分量的参考值和预测值建立价值函数，选出最优电压矢量；最后利用改进型双矢量占空比控制方法计算最优电压矢量作用时间。本发明提供的开绕组永磁电机控制方法，利用冗余矢量实现对系统零序电流的抑制，避免了价值函数中权重系数的选择，结合MTPA方法，有效利用了电机的磁阻转矩，提高了系统运行效率，且采用改进型双矢量占空比控制方法，降低了转矩脉动，提高了系统动稳态性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种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
永磁同步发电机(Permanent magnet synchronous generator，PMSG)系统依据其高效率、高功率密度、拓扑结构灵活、运行性能优越等优点，在大功率风力发电系统、车载一体化、移动式发电机组等领域得到了广泛关注。随着发电系统功率等级的提高，传统PMSG系统变流器容量受限，为进一步降低发电系统对所用变流器开关器件的要求，有学者提出了一种新型的开绕组永磁同步发电机(Open-winding permanent magnet synchronousgenerator，OW-PMSG)系统，通过将传统发电机电枢绕组连接的中性点拆开，每相的定子绕组在两端独立连接，使得发电机具有开绕组结构。其固有的磁路特性不会改变，仍具有高效率、高功率密度、高可靠性等优点，且采用两个变流器同时馈电，也满足发电系统容错运行的需要。OW-PMSG系统要实现运行控制，需采用两组变流器，此时系统需要对十二个开关器件进行控制，一方面增加了系统的复杂性和控制难度，另一方面增加了开关器件的导通损耗。为提高OW-PMSG系统实用性、降低系统控制复杂度，一种半控型开绕组永磁同步发电机(Semicontrolled open-winding permanent magnet synchronous generator，SOW-PMSG)系统结构得到广泛关注。PMSG绕组一端接不控的二极管整流桥，另一端接可控的电压型逆变器。与双逆变器的开绕组电机控制系统相比，SOW-PMSG系统结构简单，减小了所需开关器件数量，因而控制过程更容易实现。
当SOW-PMSG系统采用共直流母线接线方式时，节约成本，变流器产生的共模电压会通过直流母线形成环流，产生额外损耗，影响系统效率和带载能力，加剧系统的老化。为解决共直流母线情况下SOW-PMSG的零序电流，一种高性能电机控制算法-模型预测转矩控制(Model predictive torque control，MPTC)凭借其结构简单、动态响应快等优点得到了广泛发展。但是，传统的MPTC方法需要对价值函数中的权重系数进行设计，而权重系数的设计目前缺乏统一的指导策略，因此通过对MPTC策略的改进和转化提出一种模型预测磁链控制(Model predictive flux control，MPFC)，通过解析电磁转矩与磁链幅值之间的内在联系，将控制变量简化为单一磁链控制。同时，单矢量MPFC需要将所有基本电压矢量进行滚动优化，增加了系统的运算负担，同时，系统也存在着较大的转矩和电流脉动，使得系统的可靠性变差。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法，利用冗余矢量预先对开绕组电机系统中的零序电流进行抑制，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PMSG双矢量模型预测磁链控制方法，包括如下步骤：首先，通过电压外环PI调节器获得电磁转矩参考值Te ref，利用MTPA控制方法得到d-q轴电流参考值id ref、iq ref，进而利用电机磁链方程得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
然后根据不同电流极性下基本电压矢量与零序电流之间的影响机制构建冗余矢量判据，预先对开绕组电机系统的零序电流进行抑制，剔除使零序电流继续恶化的冗余矢量；再利用编码器获得永磁同步电机的转子电角度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-q轴分量id(k)、iq(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-q轴分量幅值，利用(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
和幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)构建价值函数，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量uopt；最后利用改进型双矢量占空比控制方法计算最优电压矢量作用时间topt，输出最优电压矢量对应的逆变器开关信号。
进一步的，将给定的负载电压
与实际测量的负载电压udc差值en输入电压调节器，根据公式(1)获得所述电磁转矩参考值Te ref；
式中，kp和ki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，根据MTPA控制方法，利用拉格朗日极值定理，根据公式(2)引入辅助函数H，对公式(2)求偏导并令结果为0，得到公式(3)；然后根据公式(3)得到MTPA控制下d-q轴电流与电磁转矩之间的关系，利用公式(4)和公式(5)得到d-q轴电流参考值id ref、iq ref，进而利用电机磁链方程(6)得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
式中，λ为拉格朗日乘子；np为极对数；ψf为转子永磁体磁链；id、iq为d、q轴电流；Ld、Lq为直、交轴电感；Te为电磁转矩。
进一步的，根据(k+1)时刻零序电流表达式(7)，通过基本电压矢量产生的零序分量判断不同电流极性下基本电压矢量对零序电流的影响情况，利用冗余矢量预先对开绕组电机系统的零序电流进行抑制，剔除使零序电流继续恶化的冗余矢量；
式中，i0(k+1)为(k+1)时刻的零轴电流预测值；i0(k)为k时刻的零轴电流；u0(k)为k时刻基本电压矢量的零序分量；Ts为采样周期；R为定子电阻；L0为零序电感；ω为转子电角速度；θ为转子电角度；ψf3表示转子磁链三次谐波分量。
进一步的，利用k时刻定子电流的d-q轴分量id(k)、iq(k)，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-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)；
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴和q轴分量的预测值，ud(k)、uq(k)表示k时刻基本电压矢量d轴和q轴分量。
进一步的，将(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
和(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数gi，依次代入零序电流抑制后的基本电压矢量ui，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量uopt；
式中，i＝{1,…,7}。
进一步的，根据公式(11)求得零矢量作用下q轴磁链ψq的斜率S0；然后，根据公式(12)求得最优电压矢量作用下q轴磁链ψq的斜率Sopt；最后，利用q轴磁链无差拍的思想，根据改进型占空比计算公式(13)求得最优电压矢量作用时间topt；
式中，ψq(k)为k时刻定子磁链q轴分量。
有益效果：本发明基于半控型开绕组结构的永磁同步发电机，采用共直流母线结构，通过冗余矢量预判达到抑制系统零序电流的目的，避免了价值函数中权重系统的选择，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。且采用改进型双矢量占空比计算方法，降低了系统计算负担，提高系统动稳态性能。本发明提出的控制方法相比于传统技术，系统复杂度更小，可靠性更高，有效解决了开绕组电机系统中的零序电流问题。
附图说明
图1为本发明的半控型开绕组PMSG双矢量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PMSG双矢量模型预测磁链控制方法流程图；
图3为本发明提供的半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法零序电流抑制效果图；
图4为本发明提供的半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法稳态仿真图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法所基于的系统如图1所示，包括电压外环PI调节器1、MTPA控制模块2、价值函数模块3、全控逆变器4、永磁同步发电机5、二极管整流桥6、坐标变换模块7、整流桥电压矢量模块8、冗余矢量预判模块9、逆变器电压矢量模块10、模型预测控制模块11。
如图2所示，本方法包括如下步骤：
步骤1：通过电压外环PI调节器获得电磁转矩参考值Te ref：
将给定的负载电压
与实际测量的负载电压udc差值en输入电压外环PI调节器，根据公式(1)获得电磁转矩参考值Te ref；
式中，kp和ki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：利用MTPA控制方法得到d-q轴电流参考值id ref、iq ref，进而利用电机磁链方程得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
为了找到MTPA控制下的转矩和电流间的极值关系，利用拉格朗日极值定理，根据公式(2)引入辅助函数H，对公式(2)求偏导并令结果为0，得到公式(3)。然后根据公式(3)前两个方程得到MTPA控制下d-q轴电流参考值id ref、iq ref之间的关系式(4)，再将公式(4)带入公式(3)的第三个方程，得到如公式(5)所示的q轴电流参考值iq ref与电磁转矩参考值间Te ref之间的关系，进而利用电机磁链方程(6)得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
式中，λ为拉格朗日乘子；np为极对数；ψf为转子永磁体磁链；id、iq为d、q轴电流；Ld、Lq为直、交轴电感；Te为电磁转矩。
步骤3：利用冗余矢量预判的方法对开绕组电机系统的零序电流进行抑制：
每种电流极性下，利用逆变器电压矢量模块生成的电压矢量udq-1(k)减去整流桥电压矢量模块生成的电压矢量udq-2(k)得到适用于半控型开绕组电机系统的8个基本电压矢量。根据(k+1)时刻零序电流表达式(7)，通过分析基本电压矢量产生的零序分量可判断不同电流极性下基本电压矢量对零序电流的影响情况，得到冗余矢量预判表1，在每种电流极性下，先判断k时刻零序电流的正负，再利用表1剔除使零序电流继续恶化的1个冗余矢量，预先实现对开绕组电机系统的零序电流进行抑制。
式中，i0(k+1)为(k+1)时刻的零轴电流预测值；u0(k)为k时刻基本电压矢量的零序分量；Ts为采样周期；R为定子电阻；L0为零序电感；ω为转子电角速度；θ为转子电角度；ψf3表示转子磁链三次谐波分量。
表1不同电流极性下冗余矢量预判表
步骤4：计算(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)：
利用编码器获得永磁同步电机的转子电角度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-q轴分量id(k)、iq(k)，利用欧拉公式离散化，根据公式(8)获得(k+1)时刻的电流预测模型，然后根据公式(9)获得(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)；
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴和q轴分量的预测值，ud(k)、uq(k)表示k时刻基本电压矢量d轴和q轴分量。
步骤5：根据价值函数选择最优电压矢量uopt：
将(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
和(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数gi，依次代入零序电流抑制后的7个基本电压矢量ui，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量uopt；
式中，i＝{1,…,7}。
步骤6：利用双矢量占空比控制方法，计算最优电压矢量作用时间：
根据公式(11)求得零矢量作用下q轴磁链ψq的斜率S0；然后，据公式(12)求得最优电压矢量作用下q轴磁链ψq的斜率Sopt；最后，利用q轴磁链无差拍的思想，根据改进型占空比计算公式(13)求得最优电压矢量作用时间topt，
式中，ψq(k)为k时刻定子磁链q轴分量。
半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制仿真结果如图3、图4所示。图3为半控型开绕组永磁同步发电机系统零序电流抑制效果图，从图3中可以看出，0.8s之前未考虑零序电流抑制，零序电流幅值接近3.6A，0.8s之后，利用冗余矢量对零序电流进行抑制，零序电流幅值降至接近0A，得到有效抑制。图4为半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制稳态仿真图，从图4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 (4)
1.一种半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，通过电压外环PI调节器获得电磁转矩参考值Te ref，利用MTPA控制方法得到d-q轴电流参考值id ref、iq ref，进而利用电机磁链方程得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
然后根据不同电流极性下基本电压矢量与零序电流之间的影响机制构建冗余矢量判据，预先对开绕组电机系统的零序电流进行抑制，剔除使零序电流继续恶化的冗余矢量；再利用编码器获得永磁同步电机的转子电角度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-q轴分量id(k)、iq(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-q轴分量幅值，利用(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
和幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)构建价值函数，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量uopt；最后利用改进型双矢量占空比控制方法计算最优电压矢量作用时间topt，输出最优电压矢量对应的逆变器开关信号；
根据MTPA控制方法，利用拉格朗日极值定理，根据公式(2)引入辅助函数H，对公式(2)求偏导并令结果为0，得到公式(3)；然后根据公式(3)得到MTPA控制下d-q轴电流与电磁转矩之间的关系，利用公式(4)和公式(5)得到d-q轴电流参考值id ref、iq ref，进而利用电机磁链方程(6)得到(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值参考值
式中，λ为拉格朗日乘子；np为极对数；ψf为转子永磁体磁链；id、iq为d、q轴电流；Ld、Lq为直、交轴电感；Te为电磁转矩；
根据(k+1)时刻零序电流表达式(7)，通过基本电压矢量产生的零序分量判断不同电流极性下基本电压矢量对零序电流的影响情况，利用冗余矢量预先对开绕组电机系统的零序电流进行抑制，剔除使零序电流继续恶化的冗余矢量；
式中，i0(k+1)为(k+1)时刻的零轴电流预测值；i0(k)为k时刻的零轴电流；u0(k)为k时刻基本电压矢量的零序分量；Ts为采样周期；R为定子电阻；L0为零序电感；ω为转子电角速度；θ为转子电角度；ψf3表示转子磁链三次谐波分量；
根据公式(11)求得零矢量作用下q轴磁链ψq的斜率S0；然后，根据公式(12)求得最优电压矢量作用下q轴磁链ψq的斜率Sopt；最后，利用q轴磁链无差拍的思想，根据改进型占空比计算公式(13)求得最优电压矢量作用时间topt；
式中，ψq(k)为k时刻定子磁链q轴分量。
2.根据权利要求 1所述的半控型开绕组PMSG双矢量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udc差值en输入电压调节器，根据公式(1)获得所述电磁转矩参考值Te ref；
式中，kp和ki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.根据权利要求 1所述的半控型开绕组PMSG双矢量模型预测磁链控制方法，其特征在于，利用k时刻定子电流的d-q轴分量id(k)、iq(k)，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-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)；
式中，id(k+1)、iq(k+1)分别为(k+1)时刻定子电流的d轴和q轴分量的预测值，ud(k)、uq(k)表示k时刻基本电压矢量d轴和q轴分量。
4.根据权利要求 1所述的半控型开绕组PMSG双矢量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-q轴分量幅值参考值
和(k+1)时刻定子磁链d-q轴分量幅值预测值ψd(k+1)、ψq(k+1)输入价值函数模块，根据公式(10)计算价值函数gi，依次代入零序电流抑制后的基本电压矢量ui，选出使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量uopt；
式中，i＝{1,…,7}。
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