- 頭條共直流母線開繞組電機的移相解耦控制策略2021-03-05 作者：袁淵 朱孝勇 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語傳統的共直流母線開繞組電機驅動系統的調制策略主要有三種：交替子六邊形脈沖寬度調制（PWM）、中間六邊形PWM和解耦SVPWM，但單一調制策略下無法兼顧電壓輸出范圍和零序電壓。江蘇大學電氣信息工程學院的研究人員袁淵、朱孝勇、左月飛、卜霄霄、魯慶，在2019年第22期《電工技術學報》上撰文，提出一種移相解耦調制策略，該策略是在解耦SVPWM的基礎上將兩個逆變器的電壓矢量夾角也作為一個控制量，通過調節該夾角可以使驅動系統既有較寬的輸出電壓范圍，又能在全輸出電壓范圍內具有較小的零序電壓。
電動汽車的三大核心部件為電池、電機和電控。其中，電機及其驅動控制系統是電動汽車電機驅動系統的核心，對電動汽車的高性能可靠運行起著至關重要的作用。經過多年發展，傳統的電機理論與驅動控制技術已逐漸成熟，但其性能也越來越無法滿足日益提高的汽車工業飛速發展的需求，于是新型電機驅動系統拓撲結構和控制策略陸續出現。
開繞組電機（Open Winding Electric Machine, OWEM）是近年來受到廣泛研究的新型電機系統，它是在傳統單逆變器驅動電機系統的基礎上，不改變原電機的本體電磁設計與機械結構，僅將電機的繞組中性點打開并在繞組兩端分別接一個單逆變器而成。
根據供電模式的不同，驅動系統的拓撲結構可分為隔離直流母線雙逆變器拓撲和共直流母線雙逆變器拓撲。采用共直流母線雙逆變器開繞組電機拓撲結構，僅需一個直流電源，更有利于實現在電動汽車電池容量受限的前提下提高輸出功率，拓寬電機轉速運行范圍，其在電機驅動系統中的應用受到廣泛關注。但由于存在零序電流回路，系統中的零序電壓、反電動勢諧波等會導致零序電流的存在，從而使得電機損耗增大、系統性能下降。
為了提高OWEM驅動系統的輸出電壓來拓寬調速范圍，有學者通過在SPWM波上注入3次諧波來提高電壓利用率。有學者提出交替子六邊形中心PWM（Alternate Sub-Hexagonal Center PWM, ASHC-PWM）方法，通過雙逆變器交替鉗位來減小開關損耗。有學者采用解耦SVPWM策略，簡化了調制方法。
上述方法盡管能夠拓寬電機調速范圍，但在全速范圍存在零序電壓較大的問題。
- 為此，有學者通過零矢量作用時間重新分配的方法使一個周期內的零序電壓平均值為零，達到抑制零序電壓的目的。
- 有學者提出中間六邊形調制，通過使用不產生零序電壓的矢量進行調制，可以達到瞬時零序電壓為零的效果。
- 有學者分析了解耦SVPWM下零矢量的放置位置與零序電壓的關系，通過調整零矢量的位置消除了調制波中的3次諧波從而消除了零序電壓，但調制方法較為復雜。
- 有學者提出了空間電壓矢量60°解耦的調制方式消除開繞組電機系統中的零序電壓。
上述方法消除了零序電壓，但也降低了電壓利用率。
綜上可知，目前共直流母線雙逆變器的調制方式主要有三種：ASHC-PWM、中間六邊形PWM和解耦調制方式。ASHC-PWM可以提供較高的輸出電壓但存在零序電壓的問題，適用于高速運行場合；中間六邊形PWM輸出電壓略低，但不存在零序電壓，適合于中低速運行場合；解耦調制方式既可以實現無零序電壓也可以提供較高的輸出電壓，但需要采用不同的調制策略。因此，如何在一種調制方式下，既能實現較高的輸出電壓范圍，又可降低全速范圍內的零序電壓，成為一個難題。
為此，江蘇大學電氣信息工程學院的研究人員提出了一種移相解耦調制策略，在解耦調制的基礎上將兩個逆變器電壓矢量間的相位角也作為一個控制量，通過改變相位角保證驅動系統在低速時不產生零序電壓，并能夠輸出較高的電壓以拓寬電機的調速范圍，即可以采用統一調制方式來同時獲得寬調速范圍和低零序電壓，簡化了調制方法。
圖11 實驗平臺
研究者將兩個逆變器的電壓矢量夾角定義為解耦角，首先分析不同解耦角下的輸出電壓中基波含量和總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）；然后對比不同調制方式下的調制波，而后采用移相控制策略來實現輸出電壓的平滑變化。在線性調制區且不考慮逆變器非線性的情況下，獲得如下結論：
- 1）中間范圍調制下無零序電壓，但調制系數只能達到0.866。
- 2）傳統解耦調制下調制系數可達1，但THD較大，達到20.8%。
- 3）最大范圍調制下調制系數也可達1，THD比傳統解耦調制下的還要大，尤其在低輸出電壓范圍下能達到50%，但開關損耗相比于另兩種典型調制方式下的可以減小一半。
- 4）移相解耦調制通過調節移相角可以采用統一的調制方式來實現不同的調制范圍。當解耦角為120°時，其本質與中間范圍調制一致，使系統在中低速范圍內具有和中間六邊形調制相同的零序電壓。當電機需要擴速運行時，通過增大解耦角來拓寬調速范圍，這樣可以盡量減小零序電壓。因此在保證調制系數達到1的前提下，使系統在全輸出電壓范圍下具有最小的THD。
以上研究成果發表在2019年第22期《電工技術學報》，論文標題為“共直流母線開繞組電機的移相解耦控制策略”，作者為袁淵、朱孝勇、左月飛、卜霄霄、魯慶。
