二极管箝位型三电平双三相永磁同步电机控制策略研究

摘要

论文以多电平多相交流电机驱动系统在中压大功率牵引场合的应用为背景，在继承众多研究成果的基础上，对二极管箝位型三电平(NPC-3L)双三相永磁同步电机(PMSM)在正常和故障状态下的控制系统进行了详细研究和论证。
　　通过交流磁势分析法，揭示了双三相电机在消除空间谐波磁势上的优越性能，建立了双三相PMSM在静止坐标系、双同步坐标系以及矢量空间解耦变换下的数学模型和等效电路。针对NPC三电平六相逆变器，详细分析和设计了三种脉宽调制策略(PWM):载波层叠比较脉宽调制策略(CDB-PWM)、双三相空间矢量脉宽调制策略(DT-SVM)以及六相矢量空间解耦空间矢量脉宽调制策略(VSD-SVM)。考虑到双三相PMSM控制的灵活性，基于双同步模型和DT-SVM策略的双三相PMSM矢量控制策略中，电流环基于全解耦前馈补偿的PI控制，实现了两套三相子系统之间和各自内部的解耦控制，基于功率均分的转矩电流控制优化了系统的损耗，使得双三相PMSM的矢量控制等效为对两个传统三相PMSM进行独立矢量控制;另外，基于矢量空间解耦模型和VSD-SVM策略的双三相PMSM矢量控制策略，转矩电流环基于电压前馈补偿的PI控制消除电机转矩平面d-q轴等效电路之间的耦合，改善了系统的动态性能，开环谐波控制有效地抑制了谐波平面电流，相比于双同步模型下的双三相PMSM矢量控制系统而言，极大地减少了电流环控制器和前馈补偿项的数量，简化了矢量控制系统电流环的设计。另外，详细分析了考虑非理想因数下双三相PMSM谐波平面电流产生机理，按照引起的谐波平面电流分量的频率，将引起谐波平面电流产生来源分为三类，电机本体不对性因数、电机反电动势谐波以及其他未建模因数，设计了基于PRs控制器的谐波电压补偿的闭环谐波电流抑制策略。
　　目前容错运行的研究大多集中在两电平三相交流电机系统，NPC三电平六相逆变器馈电双三相PMSM容错运行研究还未见报道。针对现有的基于电流调节法的容错策略对优化条件最小电流应力和最小损耗认识错误，且缺乏评价指标，基于模型重构法的容错策略对谐波平面研究缺乏物理意义。本文将电流调节法容错策略的优化条件划分为最小损耗和最小方差，并给出铜耗比、方差及电流应力比等评价指标，针对模型重构法容错策略，通过矢量空间解耦原理，建立了故障后电机转矩平面和损耗平面的数学模型和等效电路，明确提出损耗平面决定着故障后系统的损耗，通过在损耗平面注入特定形式的电流值，实现故障后电机健全相铜耗最小和电流幅值方差最小。另外，本文还提出一种由双向晶闸管组成的容错桥电路，利用逆变器母线分压电容和熔断器实现全故障主动式隔离，详细分析了故障下逆变器母线电容中点电压波动行为，建立了母线电容电压偏差的数学模型，对偏差数学模型进行近似处理，提出叠加近似零序电压来抑制母线电容电压偏差。
　　仿真和实验都验证了本文的理论分析和研究。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 多电平变换器研究现状

1．2．1 多电平变换器基本拓扑和创新

1．2．2 多电平逆变器分析和调制策略

1．3 多相电机控制研究现状

1．3．1 多相电机优势

1．3．2 多相电机关键性问题

1．3．3 多相电机控制策略研究

1．3．4 多相电机的容错运行

1．4 论文组织结构

第二章 双三相永磁同步电机交流磁势分析与建模

2．1 引言

2．2 双三相永磁同步电机交流绕组磁动势分析

2．3 双三相永磁同步电机数学建模与等效电路

2．3．1 六相静止坐标系下双三相永磁同步电机数学模型和等效电路

2．3．2 双同步坐标系下双三相永磁同步电机数学模型和等效电路

2．3．3 矢量空间解耦变换下双三相永磁同步电机数学模型和等效电路

2．4 仿真验证

2．5 本章小结

第三章 二极管箝位型三电平六相逆变器拓扑结构与脉宽调制策略设计

3．1 引言

3．2 二极管箝位型三电平六相逆变器拓扑结构

3．3 载波层叠比较脉宽调制策略

3．4 双三相空间矢量脉宽调制策略

3．4．1 综合矢量定义与电压空间矢量图

3．4．2 DT-SVM调制原理

3．4．3 作用矢量选择与矢量作用时间计算

3．4．4 矢量作用顺序与参考矢量位置判断

3．4．5 逆变器母线电容中点电压平衡控制

3．4．6 仿真和实验

3．5 六相矢量空间解耦空间矢量脉宽调制策略

3．5．1 电压矢量空间解耦

3．5．2 矢量精简

3．5．3 作用矢量选择

3．5．4 矢量作用时间计算与作用区域划分

3．5．5 参考矢量位置判断

3．5．6 矢量作用顺序优化与中点电压平衡控制

3．5．7 仿真和实验

3．6 本章小结

第四章 二极管箝位型三电平六相逆变器馈电双三相永磁同步电机矢量控制系统研究

4．1 引言

4．2 基于双同步模型和DT-SVM策略的按转子磁场定向矢量控制

4．2．1 功率均分和全解耦前馈补偿电流矢量控制

4．2．2 仿真和实验

4．3 基于矢量空间解耦模型和VSD-SVM策略的按转子磁场定向矢量控制

4．3．1 开环谐波控制和前馈补偿电流矢量控制

4．3．2 仿真和实验

4．4 谐波平面电流产生机理分析与抑制策略

4．4．1 双三相永磁同步电机谐波平面电流产生机理分析

4．4．2 基于谐波平面电压补偿的闭环谐波平面电流抑制策略

4．4．3 仿真和实验

4．5 本章小结

第五章 二极管箝位型三电平六相逆变器馈电双三相永磁同步电机定子绕组开路故障下容错运行

5．1 引言

5．2 双三相PMSM开路故障分类

5．3 故障隔离与重构方案

5．4 逆变器母线电容中点电压平衡控制策略

5．4．1 母线电容电压偏差的数学模型

5．4．2 考虑电压反馈的近似零序电压叠加法

5．5 故障下电流调节法的容错控制

5．5．1 电流调节法原理

5．5．2 拉格朗日最优化问题

5．5．3 电流优化值、评价指标及容错策略实施

5．5．4 仿真和实验

5．6 故障下建模与容错控制

5．6．1 双三相PMSM开路故障下一般建模方式

5．6．2 一相开路故障下数学模型和等效电路

5．6．3 扰动项抑制与基于模型重构容错运行策略

5．6．4 仿真和实验

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士研究生期间学术成果