CN110311606A - 一种永磁同步电机***的单位功率因数控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种永磁同步电机***的单位功率因数控制方法，基于电压功率角前馈控制思想，通过对第k‑1拍的功率角Θ(k‑1)的计算，实现对第k拍的内功率因数角ψ(k)的预测，进而得到单位功率因数控制下的d、q轴电流分配律；基于获得的电流分配律结合传统的电压、电流双闭环控制拓扑可以实现永磁同步电机***的单位功率因数控制。本发明方法不依赖于电机参数且控制精度不受到电压谐波干扰的影响，具有控制方案简单、易于数字***实现的特点，在全功率范围及动静态过程中均可以取得较好的单位功率因数控制效果。

Description

一种永磁同步电机***的单位功率因数控制方法
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机***的单位功率因数控制方法。
背景技术
由永磁同步电机-三相全控整流器组成的AC-DC变换器***是一种较为常用的“交-直”型电能变换装置，可以实现“机械能-交流电能-直流电能”的转换。上述应用中，永磁同步电机***运行于可控整流发电状态，可以将永磁同步电机***的上述可控整流发电运行状态看作是与电动运行相对称的运行模式。永磁同步电机***的发电运行与电动运行的不同之处在于功率因数控制方面的要求不同，控制无功功率为零可以减小***对整流器容量的需求，进而提高***的容量密度，因而在对于***容量密度有较高要求的应用中，迫切要求永磁同步电机***发电运行时的功率因数接近1。
通过对现有技术的检索发现，胡书举等于2009在《电气传动》上发表了名为《一种PMSG的近似UPF控制方法研究》的文章，介绍了一种永磁同步发电机的近似单位功率因数控制方法，推导了基于转子磁场定向下的单位功率因数控制d-q轴电流的分配律，文中给出的电流分配律包含了开方项，在实际应用中十分不便，且电流分配律包含了电机的电感、磁链等参数，上述参数在电机运行过程中会随工况的不同而发生变化，因而电机参数的时变性直接会影响单位功率因数实际的控制效果。申请号为CN201510914855.X的专利《一种永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法》公开了一种用于永磁同步风力发电机的单位功率因数运行控制方法，其核心思想是将d-q坐标系的q轴与定子电压矢量重合并随定子电压矢量同步旋转，通过控制id＝0使得***无功功率为零，进而在理论上可以实现功率因数为1的单位功率控制；但是，该方法本质上为基于定子电压矢量定向的控制方法，该类方法的控制效果依赖于定子电压矢量相位角的检测，由于实际***的电压中含有谐波干扰，谐波的存在将直接影响电压矢量相位角度的检测的精度，因而实际使用中较难达到预期的控制性能。
随着永磁电机-整流器所组成的电能变换器在实践中的应用范围不断扩大，设计一种简便易行且不依赖于电机参数的单位功率因数控制方法，用于实现***容量密度提升的需求随之产生。
发明内容
本发明的目的是克服已有的永磁同步电机***单位功率因数控制策略依赖于电机参数、电压矢量相位角的检测易受电压谐波干扰的弊端，提出一种不依赖于永磁电机参数的单位功率因数控制方法。本发明基于电压功率角前馈控制思想，通过对第k-1拍的功率角Θ(k-1)的计算，实现对第k拍的内功率因数角ψ(k)的预测，进而得到单位功率因数控制下的d-q轴电流分配律；基于获得的电流分配律结合传统的电压、电流双闭环控制拓扑可以实现永磁同步电机***的单位功率因数控制。本发明不依赖于电机参数且控制精度不受到电压谐波干扰的影响，具有控制方案简单、易于数字***实现的特点，在全功率范围及动静态过程中均可以取得较好的单位功率因数控制效果。
永磁同步电机***的单位功率因数控制又称零无功功率控制，本质上是通过控制与电机参数有关的内功率因数角ψ来实现的。根据永磁同步电机的数学模型，可以列出电机运行在单位功率因数状态时的定子电流运行轨迹方程如下式所示，
其中，id、iq分别为电机定子电流的d、q轴分量；Ld、Lq分别为电机的d、q轴电感；为电机的永磁磁链。
上式隐含了定子电流的分配及控制律。可以看出，控制律中包含了电机的电感、磁链等参数，采用该控制律可以实现单位功率因数的电流控制。但是电流的控制效果依赖于电机参数的准确获取。为解决电流控制对电机参数的依赖性，本发明提出一种基于电压功率角前馈的永磁同步电机***单位功率因数电流控制方法。
永磁同步电机的功率角Θ定义为定子电压矢量与空载反电势矢量的夹角，计算公式为，
永磁同步电机的内功率因数角ψ定义为定子电流矢量与空载反电势矢量的夹角，计算公式为，
其中，ud、uq分别为定子电压矢d、q轴分量；id、iq分别为定子电流矢量的d、q轴分量。
永磁同步电机***单位功率因数运行时其电流轨迹上任意一点均满足，
因此，基于功率角Θ可以反推出内功率因数角ψ，根据内功率因数角ψ可以计算得到单位功率因数控制下的d-q轴电流分配律为，
其中，为定子电流d、q轴分量的指令值；ud、uq分别为定子电压矢量的d、q轴分量；为电机定子电流指令值。
本发明方法的关键在于内功率因数角ψ的求取。基于前馈控制理论的原理，可以根据第k-1拍的功率角Θ(k-1)对第k拍的内功率因数角ψ(k)进行预测，得到第k拍时的内功率因数角ψ(k)后，根据上式计算可以得到电机定子电流的分配律，实现永磁电机***的单位功率因数控制。
以下以第k拍时实现永磁同步电机***的单位功率因数控制为例，具体说明本发明的技术方案。
应用本发明的永磁同步电机的单位功率因数控制***包括电压/电流采样电路、三相全控桥、DSP和功率驱动模块。本发明通过电压和电流采样电路分别采集直流侧母线电压及永磁电机的三相相电流，将电压信号和电流信号经过采样电路调理后输入DSP中，再经过电压外环以及电流内环的闭环计算，最终输出6路PWM驱动信号，用于驱动三相全控桥，实现对永磁同步电机***的单位功率因数控制。
第k个控制节拍时，实现本发明所提出的永磁同步电机***单位功率因数控制方法的步骤为：
步骤1：电压采样电路完成直流母线电压的采样，采样得到的直流母线电压实际值udc(k)与所设定的母线电压指令值比较，经过电压控制外环的闭环控制作用，计算得到定子电流指令值
步骤2：基于第k-1拍的功率角Θ(k-1)，计算当前第k拍内功率因数角ψ(k)，公式如下，
ψ(k)＝Θ(k-1)
步骤3：计算单位功率因数电流分配律：
其中，为第k拍时定子电流指令值；分别为第k拍时定子电流d、q轴分量的指令值。
步骤4：计算得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)，方法如下，
将电流采样电路采样得到的电机三相电流采样值，经过Clark、Park坐标变换，得到d-q轴坐标系下的电流采样值id(k)与iq(k)，步骤3中得到的定子电流d、q轴分量的指令值 分别与电流采样值id(k)、iq(k)作差，并通过d、q轴电流内环控制器的闭环控制作用，得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)；
步骤5：基于步骤4得到的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)，计算得到第k拍时的功率角Θ(k)，计算公式如下，
步骤6：更新功率角Θ(k-1)为最新的Θ(k)：
将第k-1拍的功率角Θ(k-1)更新为步骤5中得到的第k拍的功率角Θ(k)，公式为，
Θ(k-1)＝Θ(k)
步骤7：将步骤4中获得的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)作为后级SVPWM环节的输入，经过DSP中运行的空间矢量调制SVPWM策略的运算，生成6路PWM驱动控制信号，用于驱动三相全控整流桥，最终实现对永磁同步电机***功率因数为1的控制。
附图说明
图1为永磁同步电机***单位功率因数运行状态下的电流轨迹；
图2为基于电压功率角前馈的永磁同步电机***单位功率因数控制框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为永磁同步电机***单位功率因数运行状态下的电流轨迹，如图1中虚线表示的椭圆所示。图1中，椭圆形电流轨迹上任意一点均满足，
其中，ψ、Θ分别为内功率因数角和功率角；ud、uq分别为定子电压矢量的d、q轴分量；id、iq分别为定子电流矢量的d、q轴分量。
在离散数字控制***中，可以利用第k-1拍时的功率角Θ(k-1)，实现对第k拍时的内功率因数角ψ(k)的预测，基于得到的ψ(k)可以获得单位功率因数控制下的d-q轴电流分配律。
图2为基于电压功率角前馈的永磁同步电机***单位功率因数控制方法框图。如图2所示，本发明永磁同步电机***单位功率因数控制方法包括电压外环控制、电流内环控制、单位功率因数电流分配律计算、SVPWM等环节。整个永磁同步电机***的单位功率因数控制算法基于DSP实现。
基于前述分析，以第k拍时实现永磁同步电机***的单位功率因数控制为例，说明本发明步骤如下：
(1)步骤1，计算定子电流指令值
电压采样电路完成直流母线电压的采样，采样得到的直流母线电压实际值udc(k)与所设定的母线电压指令值比较，经过电压控制外环的闭环控制作用，计算得到定子电流指令值
(2)步骤2，计算得到内功率因数角ψ(k)；
基于第k-1拍的功率角Θ(k-1)，计算当前第k拍时的内功率因数角ψ(k)，计算公式如下，
ψ(k)＝Θ(k-1)
(3)步骤3，计算单位功率因数电流分配律；
根据步骤1和步骤2得到的结果，按照下述电流分配律计算得到定子电流d、q轴分量的指令值，
其中，为第k拍时定子电流指令值；分别为第k拍时定子电流d、q轴分量的指令值。
(4)步骤4，计算得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)；
将电流采样电路采样得到的电机三相电流采样值经过Clark、Park坐标变换，得到d、q轴坐标系下的电流采样值id(k)与iq(k)，步骤3中得到的定子电流d、q轴分量的指令值 分别与实际电流的采样值id(k)、iq(k)作差，并通过d、q轴电流内环控制器的闭环控制作用，得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)；
(5)步骤5，计算得到功率角Θ(k)；
基于步骤4得到的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)，获得第k拍时的功率角Θ(k)，计算公式如下，
(6)步骤6，更新功率角Θ(k-1)为最新的Θ(k)；
将第k-1拍的功率角Θ(k-1)更新为步骤5中得到的第k拍的功率角Θ(k)，公式为，
Θ(k-1)＝Θ(k)
(7)步骤7，生成驱动控制信号并作用到三相全控桥上，实现对永磁同步电机的控制；
将步骤4中获得的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)作为后级SVPWM环节的输入，经过DSP中运行的空间矢量调制SVPWM策略的运算，生成6路PWM驱动控制信号，用于驱动三相全控整流桥，最终实现对永磁同步电机***功率因数为1的控制。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机***的单位功率因数控制方法，永磁同步电机***的单位功率因数控制***包括电压/电流采样电路、三相全控整流桥、DSP和功率驱动模块；电压和电流采样电路分别采集直流侧母线电压及永磁同步电机的三相相电流，将电压信号和电流信号经过采样电路调理后输入DSP，再经过电压外环以及电流内环的闭环计算，最终输出6路PWM驱动信号，用于驱动三相全控桥，实现对永磁同步电机的控制，其特征在于：所述的控制方法通过对第k-1拍的功率角Θ(k-1)的计算，实现对第k拍的内功率因数角ψ(k)的预测，进而得到单位功率因数控制下的d-q轴电流分配律；基于获得的电流分配律结合传统的电压、电流双闭环控制拓扑实现永磁同步电机***的单位功率因数控制。
2.如权利要求1所述的永磁同步电机***的单位功率因数控制方法，其特征在于：第k个控制节拍时所述的控制方法步骤如下：
步骤1：电压采样电路完成直流母线电压的采样，采样得到的直流母线电压实际值udc(k)与所设定的母线电压指令值比较，经过电压控制外环的闭环控制作用，计算得到定子电流指令值
步骤2：基于第k-1拍的功率角Θ(k-1)，计算当前第k拍内功率因数角ψ(k)，公式如下：
ψ(k)＝Θ(k-1)
步骤3：计算单位功率因数电流分配律：
其中，为第k拍时定子电流指令值；分别为第k拍时定子电流d、q轴分量的指令值；
步骤4：计算得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)，方法如下，
将电流采样电路采样得到的电机三相电流采样值，经过Clark、Park坐标变换，得到d-q轴坐标系下的电流采样值id(k)与iq(k)，步骤3中得到的定子电流d、q轴分量的指令值分别与电流采样值id(k)、iq(k)作差，并通过d、q轴电流内环控制器的闭环控制作用，得到定子电压控制信号ud(k)、uq(k)；
步骤5：基于步骤4得到的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)，计算得到第k拍时的功率角Θ(k)，计算公式如下，
步骤6：更新功率角Θ(k-1)为最新的Θ(k)：
将第k-1拍的功率角Θ(k-1)更新为步骤5中得到的第k拍的功率角Θ(k)，公式为，
Θ(k-1)＝Θ(k)
步骤7：将步骤4中获得的定子电压控制信号ud(k)、uq(k)作为后级SVPWM环节的输入，经过DSP中运行的空间矢量调制SVPWM策略的运算，生成6路PWM驱动控制信号，用于驱动三相全控整流桥，控制永磁同步电机***的功率因数为1。
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