CN116418264B - 一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，属于薄膜电容电机驱动***领域。主要包括薄膜电容电机驱动器导纳重塑和电网侧电流振荡抑制；考虑薄膜电容***中逆变器侧功率波动，在此基础上分析调制过程中的母线电压波动和数字延时的影响，得到计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳模型。根据采集的直流电压，修正逆变器输出电压，得到重塑后的逆变器侧等效导纳。基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，根据直流电压的最小值实时调整阈值，所提方法能够防止电压前馈补偿失效，提升调节的快速性和抑制超调，避免电流调节单元出现饱和现象，使得逆变器有效控制，改善电网侧电流振荡抑制的效果。

Description

一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑 制方法

技术领域

本发明涉及薄膜电容电机驱动***领域，具体涉及一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法。

背景技术

传统的电机驱动器通常采用数百uF的大容量电解电容为直流母线提供能量缓冲，并维持母线电压稳定。但是电解电容易受环境温度和压力等因素的影响，导致电解液失效，从而引发电机驱动器故障甚至。因此利用小容量薄膜电容代替传统电机驱动器中的电解电容，对于提升整个电机驱动器的功率密度和可靠性意义显著。同时，母线电压因薄膜电容容量大幅度降低不能够维持恒定，将随着电网电压脉动，导致不控整流桥的导通角增大。相对于传统电机驱动器，可以去除电网输入侧的功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)电路，进一步减小驱动器的体积。

相对于传统电机驱动器，由于去除了大容量电解电容和PFC电路，电网侧-直流端口-逆变器侧功率耦合严重，电网侧滤波电感和薄膜电容之间引发的振荡易导致***不稳定，同时电网侧电流谐波含量增大。目前研究的薄膜电容电机驱动器振荡抑制主要集中在直流端口侧，包括基于***特征方程和导纳重塑的思路。但是对于薄膜电容***，***的功率也会随电网电压脉动，对于目前的建模方法忽略了功率波动分量，另外在进行导纳重塑的过程中存在补偿失效的情况，使得***失稳，电网侧电流振荡不能够有效抑制。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明提供了一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，在不增加硬件成本的情况下，通过重塑逆变器侧等效导纳，修正逆变器输出电压矢量，从而保证***稳定并抑制电网侧电流振荡现象。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，包括以下步骤；

步骤1：采集薄膜电容***中逆变器侧功率波动，建立包含功率波动的逆变器侧等效导纳模型；然后在包含功率波动的基础上考虑电机侧动态特性，建立计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳模型；最后根据直流电压信息得到重塑后的逆变器侧等效导纳模型；

步骤2：在薄膜电容***中设置转速调节单元，功率调节单元，q轴电流调节单元和PWM单元，所述的PWM单元用于将参考电压调制成逆变器控制需要的开关信号；基于重塑后逆变器侧等效导纳模型的直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，对逆变器输出电压进行修正，得到q轴逆变器输出电压，经过PWM单元对逆变器进行控制，达到电网侧电流振荡抑制效果。

作为本发明的优选方案，步骤1中所述的包含功率波动的逆变器侧等效导纳模型的建立过程如下：

在薄膜电容电机驱动器中，逆变器输出功率在电机运行过程中是波动的，考虑含功率波动的小信号，所述的功率波动的小信号包括等效逆变器功率小信号分量和直流电压小信号分量，得到逆变器电流为：

其中，i_inv为逆变器电流，P_L为等效逆变器功率，P_L0为等效逆变器功率平均值和δP_L为小信号分量，u_dc为直流电压，u_dc0为直流电压平均值和δu_dc为小信号分量；

逆变器电流i_inv线性化为：

得到包含功率波动的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_L为包含功率波动的逆变器侧等效导纳。

作为本发明的优选方案，步骤1中所述的电机侧动态特性包括dq轴下电机电压的小信号分量，dq轴下电机电流的小信号分量和dq轴下等效逆变器功率的小信号分量；所述的计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳模型的建立过程如下：

在薄膜电容电机驱动器中，考虑调制过程中的母线电压波动和数字延时的影响，在dq轴下电机电压的小信号分量为：

其中，δu_d为d轴电压小信号分量，δu_q为q轴电压小信号分量，δu_dref为d轴参考电压的小信号分量，δi_qref为q轴参考电压的小信号分量，u_dref0为d轴参考电压平均值，u_qref0为q轴参考电压平均值，T_d为延迟算子；

在dq轴下电机电流的小信号分量为：

其中，δi_d为d轴电流小信号分量，δi_q为q轴电流小信号分量，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，c_d为d轴电流控制器，C_q为q轴电流控制器，R_s为定子电阻；

在dq轴下等效逆变器功率在的小信号分量为：

其中i_d0，i_q0分别为d轴和q轴电流平均值；

在包含功率波动的逆变器侧等效导纳Y_L基础上，结合电机侧动态特性δu_d，δu_q，δi_d，δi_q和δP_L，得到计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_LM为计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳，_e为电角速度，s为Laplace算子。

作为本发明的优选方案，步骤1中所述的重塑后的逆变器侧等效导纳模型如下：

根据采集的直流电压，对逆变器输出电压进行修正，修正后参考电压的小信号分量为：

δu_qref＝ω_eL_dδi_d-C_qδi_q+K_cδu_dc

其中K_c为修正因子；

根据修正后参考电压的小信号分量，得到重塑后的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_c为重塑后的逆变器侧等效导纳。

作为本发明的优选方案，所述的步骤2具体为：

步骤2.1)根据转速调节单元得到转矩平均值，经过功率调节单元得到q轴电流参考值，经过q轴电流调节单元，得到q轴逆变器输出电压；

步骤2.2)基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，对q轴逆变器输出电压进行修正；

步骤2.3)利用逆变器输出电压，输出电压经过PWM单元生成开关信号，生成的开关信号对逆变器进行控制。

作为本发明的优选方案，步骤2.2中基于直流电压最小值设置阈值构造电压前馈补偿分量，具体为：

***的振荡在直流电压中有体现，通过采样的直流电压，基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量为：

其中，u_com为电压前馈补偿分量，K_c为修正因子，U_g为电网电压的幅值，θ_g为电网电压的相角，u_dcmin为直流电压的最小值。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：

(1)本发明提出的薄膜电容电机驱动器导纳重塑方法，充分考虑了薄膜电容***中逆变器功率波动的小信号，在此基础上电机侧的动态特性也被包含在逆变器侧等效导纳中，在不增加额外的电网侧电流传感器的情况下，利用采集的直流电压信息，建立重塑后的逆变器侧等效导纳模型，不同于现有的研究中主要解决直流端口侧振荡问题，另外目前的建模方法忽略了功率波动分量。

(2)本发明提出的电网侧电流振荡抑制方法，在构造电压前馈补偿分量时，基于直流电压最小值设置阈值，根据直流电压的最小值实时调整阈值，防止补偿失效的情况，另外由于是直接对逆变器输出电压进行修正，避免了电流调节单元的饱和，能够提升调节的快速性、抑制超调，使得逆变器有效控制，达到电网侧电流振荡抑制效果。

附图说明

图1为薄膜电容电机驱动器主电路拓扑图。

图2为电网侧-直流端口-逆变器侧等效电路图。

图3为计及电机侧动态特性的逆变器侧等效电路图。

图4为电压前馈补偿单元图。

图5为电网侧电流振荡抑制控制框图。

图6为未实施本发明提供方法下的电网电流波形和频谱分析结果。

图7为实施本发明提供方法下的电网电流波形和频谱分析结果。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不限定于本发明。

如图1所示，为薄膜电容电机驱动器主电路拓扑，由电网侧-直流端口-逆变器侧电路三部分组成，主要包含：电网侧滤波电感、单相不控整流桥、直流端口薄膜电容、三相逆变器和永磁同步电机***。图中u_g为电网电压，L_g为电网侧滤波电感，|_g|为直流端口电流，i_c为电容电流，u_dc为直流电压，C_dc为直流端口薄膜电容，i_inv为逆变器电流。

基于上述主电路结构，本发明提出一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，包括薄膜电容电机驱动器导纳重塑方法与电网侧电流振荡抑制方法，具体地，首先参考如图2所示的电网侧-直流端口-逆变器侧等效电路，所述的等效电路包括电网电压源|u_g|,电网侧滤波电感L_g、直流端口薄膜电容C_dc和包含功率波动的逆变器侧等效导纳Y_L，考虑含功率波动的小信号，得到逆变器电流为：

其中，i_inv为逆变器电流，P_L，P_L0和δP_L分别为等效逆变器功率，等效逆变器功率平均值和小信号分量，u_dc，u_dc0和δu_dc分别为直流电压，直流电压平均值和小信号分量。

将逆变器电流i_inv线性化为：

得到包含功率波动的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_L为包含功率波动的逆变器侧等效导纳。

由于逆变器侧对象为永磁同步电机，电机参数及其动态特性都会对逆变器侧等效导纳造成影响，具体地，参考如图3所示的计及电机侧动态特性的逆变器侧等效电路，所述的等效电路包括电网电压源|u_g|，电网侧滤波电感L_g、直流端口薄膜电容C_dc和计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳Y_LM。考虑调制过程中的母线电压波动和数字延时的影响，在dq轴下电压的小信号分量为：

其中，δu_d，δu_q分别为d轴和q轴电压小信号分量，δu_dref，δu_qref分别为d轴和q轴参考电压的小信号分量，u_dref0，u_qref0分别为d轴和q轴参考电压平均值，T_d为延迟算子。

在dq轴下电机电流的小信号分量为：

其中，δi_d，δi_q分别为d轴和q轴电流小信号分量，L_d，L_q分别为d轴和q轴电感，C_d，C_q分别为d轴和q轴电流控制器，R_s为定子电阻。

等效逆变器功率在dq轴下的小信号分量为：

其中i_d0，i_q0分别为d轴和q轴电流平均值；

得到计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_LM为计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳，ω_e为电角速度，s为Laplace算子。

根据采集的直流电压，具体地，参考如图4所示的电压前馈补偿单元，所述的补偿单元包括电网电压u_g和直流电压的最小值u_dcmin比较单元、修正因子K_c和电压前馈补偿分量u_com。由于***的振荡在直流电压中也有体现，通过采样的直流电压，基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量为：

其中，u_com为电压前馈补偿分量，K_c为修正因子，U_g为电网电压的幅值，θ_g为电网电压地相角，u_dcmin为直流电压的最小值；

通过施加电压前馈补偿，对逆变器输出电压进行修正，修正后参考电压的小信号分量为：

δu_qref＝ω_eL_dδi_d-C_qδi_q+K_cδu_dc

其中K_c为修正因子；

根据修正后参考电压的小信号分量，得到重塑后的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_c为重塑后的逆变器侧等效导纳。

在此基础上，如图5所示，为电网侧电流振荡抑制控制框图，薄膜电容***包括转速调节单元，功率调节单元，q轴电流调节单元，Clark变换，Park变换,IPark变换，PWM单元和永磁同步电机。

转速参考值ω^*与ω_m之间的误差经过转速调节单元得到转矩平均值T^*，经过功率调节单元得到q轴电流参考值

采集到的电流经过Clark变换和Park变换和得到d轴电流i_d和q轴电流i_q，经过d轴电流调节单元和q轴电流调节单元，得到d轴和q轴参考电压。

将电压前馈补偿分量叠加到q轴参考电压上的得到将/>和/>经过IPark变换，得到u_α和u_β，经过PWM单元生调制后成开关信号，对逆变器进行控制。

如图6所示，为未实施本发明提供方法下的电网电流波形和频谱分析结果，根据结果显示电网电流中振荡分量显著，从频谱分析看出THD为64.7％，11次谐波含量较大。

如图7所示，为实施本发明提供方法下的电网电流波形图和频谱分析结果，根据结果显示电网电流中振荡能够被有效抑制，从频谱分析看出THD为31.1％，11次谐波附近分量显著减小。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，其特征在于，包括以下步骤；

步骤1：采集薄膜电容***中逆变器侧功率波动，建立包含功率波动的逆变器侧等效导纳模型；然后在包含功率波动的基础上考虑电机侧动态特性，建立计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳模型；最后根据直流电压信息得到重塑后的逆变器侧等效导纳模型；

所述的包含功率波动的逆变器侧等效导纳模型的建立过程如下：

在薄膜电容电机驱动器中，逆变器输出功率在电机运行过程中是波动的，考虑含功率波动的小信号，所述的功率波动的小信号包括等效逆变器功率小信号分量和直流电压小信号分量，得到逆变器电流为：

其中，i_inv为逆变器电流，P_L为等效逆变器功率，P_L0为等效逆变器功率平均值和δP_L为等效逆变器功率小信号分量，u_dc为直流电压，u_dc0为直流电压平均值和δu_dc为直流电压小信号分量；

逆变器电流i_inv线性化为：

得到包含功率波动的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_L为包含功率波动的逆变器侧等效导纳；

所述的电机侧动态特性包括dq轴下电机电压的小信号分量，dq轴下电机电流的小信号分量和dq轴下等效逆变器功率的小信号分量；所述的计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳模型的建立过程如下：

在薄膜电容电机驱动器中，考虑调制过程中的母线电压波动和数字延时的影响，在dq轴下电机电压的小信号分量为：

其中，δu_d为d轴电压小信号分量，δu_q为q轴电压小信号分量，δu_dref为d轴参考电压的小信号分量，δu_qref为q轴参考电压的小信号分量，u_dref0为d轴参考电压平均值，u_qref0为q轴参考电压平均值，T_d为延迟算子；

在dq轴下电机电流的小信号分量为：

其中，δi_d为d轴电流小信号分量，δi_q为q轴电流小信号分量，L_d为d轴电感，L_q为q轴电感，C_d为d轴电流调节单元的传递函数，C_q为q轴电流调节单元的传递函数，R_s为定子电阻；

在dq轴下等效逆变器功率在的小信号分量为：

其中i_d0，i_q0分别为d轴和q轴电流平均值；

在包含功率波动的逆变器侧等效导纳Y_L基础上，结合电机侧动态特性δu_d，δu_q，δi_d，δi_q和δP_L，得到计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_LM为计及电机侧动态特性的逆变器侧等效导纳，ω_e为电角速度，s为Laplace算子；

所述的重塑后的逆变器侧等效导纳模型如下：

根据采集的直流电压，对逆变器输出电压进行修正，修正后q轴参考电压的小信号分量为：

δu_qref＝ω_eL_dδi_d-C_qδi_q+K_cδu_dc

其中K_c为修正因子；

根据修正后q轴参考电压的小信号分量，得到重塑后的逆变器侧等效导纳为：

其中Y_c为重塑后的逆变器侧等效导纳；步骤2：在薄膜电容***中设置转速调节单元，功率调节单元，q轴电流调节单元和PWM单元，所述的PWM单元用于将参考电压调制成逆变器控制需要的开关信号；基于重塑后逆变器侧等效导纳模型的直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，对q轴电流调节单元输出的逆变器输出电压进行修正，得到修正后的q轴逆变器输出电压，经过PWM单元对逆变器进行控制，达到电网侧电流振荡抑制效果;

所述基于重塑后逆变器侧等效导纳模型的直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，具体为：

***的振荡在直流电压中也有体现，通过采样的直流电压，基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量为：

其中，u_com为电压前馈补偿分量，K_c为修正因子，U_g为电网电压的幅值，θ_g为电网电压的相角，u_dcmin为直流电压的最小值。

2.如权利要求1所述的一种基于导纳重塑的薄膜电容电机驱动器电网侧电流振荡抑制方法，其特征在于，所述步骤2具体为：

步骤2.1)根据转速调节单元得到转矩平均值，经过功率调节单元得到q轴电流参考值，经过q轴电流调节单元，得到q轴逆变器输出电压；

步骤2.2)基于直流电压最小值设置阈值，构造电压前馈补偿分量，对q轴逆变器输出电压进行修正；

步骤2.3)利用逆变器输出电压，输出电压经过PWM单元生成开关信号，生成的开关信号对逆变器进行控制。