城轨列车永磁同步牵引电机控制与逆变器直流侧振荡抑制研究

摘要

永磁同步电机具有功率密度高、效率高、能够全封闭设计减小维护等优点;随着社会节能环保意识的提升，在国内外轨道交通牵引领域逐渐被广泛关注。本文围绕城轨列车永磁同步牵引传动系统控制技术，针对系统性能提升的关键问题，选取方波工况永磁同步电机闭环控制、采用特殊同步调制时系统动态性能优化以及牵引传动系统阻抗不匹配引起的逆变器直流侧振荡问题展开研究，并通过仿真与实验对各研究点进行验证。
　　城轨列车牵引逆变器在高速域采用方波单脉冲调制，此时逆变器输出电压基波幅值达到最大，只有电压相位一个控制自由度，常规永磁同步电机弱磁方案难以保证电流闭环控制。本文提出了一种可用于方波工况的改进型交直轴电流耦合调节单电流环弱磁控制，只需一个控制自由度，且能够保证逆变器输出电压调制度恒定，实现了方波工况永磁同步电机的电流闭环控制。本文给出了原理清晰、工程可靠的方波工况进出判据。针对牵引电机转矩控制需求，建立了该控制策略转矩闭环小信号模型，根据零极点分布确定了系统稳定性，给出了控制器参数设计原则，研究了电机转速、负载等因素对系统动态响应的影响。
　　城轨列车牵引逆变器在中速域广泛采用特殊同步调制。特殊同步调制的开关角计算基于稳态傅里叶分析，适用于电机稳态运行。在动态运行中系统性能下降，可能出现较大的转矩脉动甚至过流。本文采用永磁同步电机定子磁链轨迹跟踪策略，根据目标与实际定子磁链间的误差微调开关序列，保证电机定子磁链与电流矢量轨迹平稳变化，从而优化系统性能，减小电流冲击。同时还将该方法用于保证特殊同步调制与基于载波调制策略的平滑切换。本文采用基于拓展磁链模型的最小阶观测器观测电机实际磁链，采用电压积分法得到系统目标磁链，给出了在α-β两相静止坐标系下进行磁链误差消除的原则，得到更为快速精确的磁链误差消除过程。
　　城轨列车牵引传动系统由于LC滤波环节输出阻抗与逆变器-电机系统输入阻抗的不匹配，随着系统输出功率的增大会出现逆变器直流侧电压、电流振荡的不稳定现象。本文推导了内置式永磁同步电机采用最大转矩电流比控制与改进型交直轴电流耦合调节弱磁控制时的逆变器-电机输入导纳模型，为研究系统振荡机理与抑制方法提供了更为精确的模型。提出了基于主动阻尼补偿的全速域稳定方案。电机中低速域采用双电流环控制时容易发生振荡，此时基于交轴电压指令进行主动阻尼补偿，匹配系统阻抗，抑制系统振荡。方波工况采用改进型交直轴电流耦合调节弱磁控制时系统能够保持稳定。
　　本文搭建了7.5kW和300kW两个实验平台。在300kW永磁同步电机上完成了全速域电流闭环控制实验，验证了本文提出的方波工况单电流环控制策略。在7.5kW平台上完成了上述三个研究点的验证，实验结果证明了本文所提出方法的优良性能。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究的背景和意义

1．1．1 研究的背景

1．1．2 研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 永磁同步电机控制技术

1．2．2 牵引逆变器调制技术

1．2．3 阻抗不匹配引起的逆变器直流侧振荡问题

1．3 本文章节安排

2 基于交直轴电流耦合效应的方波工况PMSM单电流环控制

2．1 PMSM弱磁控制与方波工况控制

2．1．1 PMSM弱磁控制原理

2．1．2 逆变器方波工况下PMSM控制

2．2 基于CCR-VQV弱磁策略的PMSM方波工况控制

2．2．1 单电流环方波工况控制方案

2．2．2 方波工况的进入与退出

2．2．3 系统稳定性分析

2．2．4 电流环参数影响分析

2．3 仿真分析

2．3．1 转矩闭环牵引与再生制动工况仿真

2．3．2 电流环参数影响仿真分析

2．4 实验验证

2．4．1 7．5kW电机平台实验

2．4．2 300kW电机平台实验

2．5 本章小结

3 采用特殊同步调制时系统的动态性能优化

3．1 动态性能问题分析与解决方案

3．1．1 基于稳态傅里叶分析的开关角计算

3．1．2 动态问题与解决方案

3．2 定子磁链轨迹跟踪控制对特殊同步调制的动态调整

3．2．1 目标定子磁链计算

3．2．2 基于拓展磁链模型的PMSM定子磁链观测

3．2．3 动态磁链误差消除与PWM序列调整

3．3 仿真与实验

3．3．1 仿真分析

3．3．2 实验验证

3．4 本章小结

4 城轨列车牵引传动系统稳定性分析与直流侧振荡抑制

4．1 稳定性判据与关键频域模型

4．1．1 振荡机理与稳定性判据

4．1．2 MTPA控制下的输入导纳模型

4．1．3 改进型CCR-VQV单电流环弱磁控制下的输入导纳模型

4．2 基于级联系统导纳比的稳定性分析

4．2．1 MTPA控制系统稳定性影响因素分析

4．2．2 改进型CCR-VQV单电流环控制系统稳定性影响因素分析

4．3 基于主动阻尼补偿的振荡抑制策略

4．3．1 MTPA控制下系统主动阻尼补偿策略

4．3．2 系统全速域稳定控制策略

4．4 实验验证与结果分析

4．4．1 MTPA控制下阻尼补偿策略效果验证

4．4．2 改进型CCR-VQV单电流环弱磁控制下系统的稳定性验证

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要研究成果

5．2 进一步研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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