- 頭條考慮零序電流抑制的開繞組永磁同步電機斷相故障下統一調制策略2021-08-03 作者：呂康飛 董新偉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語研究電機相繞組斷路下的容錯控制對于提升系統的可靠性至關重要，但傳統的共直流母線開繞組永磁同步電機（OW-PMSM）系統中的零序電流（ZSC）抑制策略在繞組斷路故障下均不再適用。 基于此，中國礦業大學電氣與動力工程學院、淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院、徐州工程學院機電工程學院、浙江大學電氣工程學院的研究人員呂康飛、董新偉、劉麗麗、胡偉、年珩，在2020年第11期《電工技術學報》上撰文，提出了一種共直流母線OW-PMSM系統在繞組斷相故障下的控制策略。 通過建立同步坐標系下電流分量與靜止坐標系下電流分量及零序電流之間的數學模型，分析同步坐標系下電流分量中的二倍頻及四倍頻分量與ZSC的關系，提出在同步坐標系下采用比例積分諧振控制器抑制ZSC的方法。此外，根據繞組斷相故障下OW-PMSM系統電壓矢量的分布規律，提出一種利用一組互相垂直的電壓矢量進行統一調制來產生參考電壓矢量的方案。因此，構建OW-PMSM實驗平臺，對提出的斷相故障下共直流母線OW-PMSM控制策略進行實驗驗證。
永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其結構簡單可靠、功率密度大、控制精度高等優勢，在工業、交通及軍事等領域得到廣泛應用。在傳統PMSM系統中，電機是通過單一逆變器進行供電，但受限于開關器件的耐壓等級，PMSM在大功率場合下的應用受到了限制。
為此相關學者提出了將開繞組結構應用于PMSM的思路，即通過將傳統PMSM的定子繞組中性點打開并額外接入一個逆變器，使得電機通過兩個逆變器同時進行供電，稱為開繞組永磁同步電機（Open-Winding PMSM, OW-PMSM）。因此，在相同功率等級的開關器件下，OW-PMSM額定功率可以增加一倍。此外，兩個逆變器供電使得OW-PMSM系統呈現出多電平調制特性，且具備了較強的容錯運行能力。
根據OW-PMSM系統中電機兩側的逆變器是否采用同一個電壓源進行供電，可以將其分為隔離直流母線系統與共直流母線系統，兩種結構分別如圖1a和圖1 b所示。與圖1a所示隔離母線系統相比，圖1b中的共直流母線系統僅需一個電壓源，可以有效降低系統的成本和體積，是當前的研究熱點。
圖1 開繞組電機系統兩種拓撲結構
但是這種系統中存在零序電流（Zero-Sequence Current, ZSC），會造成轉矩脈動和額外損耗，影響OW-PMSM系統運行性能。因此，抑制ZSC已經成為共直流母線OW-PMSM系統中的一個熱點研究問題。
傳統PMSM結構在出現斷相故障時，必須對其結構進行改進才可以實現容錯運行。基于此，中國礦業大學、淮陰師范學院的研究人員，提出了斷相故障下共直流母線OW-PMSM系統的控制策略。
圖2 繞組斷相下OW-PMSM系統控制框圖
在OW-PMSM系統正常狀態下，ZSC可以通過對三相定子繞組電流求和取平均的方式得到。但這種ZSC的獲取方法在相繞組斷相故障下不再適用。考慮到斷相故障下剩余兩相電流的相位關系，研究人員通過建立靜止坐標系下電流分量、同步軸系下電流分量及ZSC之間的數學模型，深入分析同步軸系下二倍頻及四倍頻電流分量與ZSC的關聯。進而設計了基于比例積分諧振（Proportional Integral Resonance, PIR）控制的OW-PMSM系統在斷相故障下的ZSC抑制方案。
此外，根據斷相故障下OW-PMSM系統電壓矢量分布的特點，提出了一種通過兩個互相垂直的非零電壓矢量來調制參考電壓矢量的方法。最后在實驗平臺上對本文提出的共直流母線OW-PMSM系統在斷相故障下的ZSC抑制策略進行了驗證。
圖3 實驗平臺
研究人員最后得出以下結論：
1）斷相故障下由于原有的三相電流平衡關系被打破，導致同步軸系下OW-PMSM電流分量中含有較大的二倍頻分量及四倍頻分量，造成這些諧波分量的主要有a、b相電流的相位差及ZSC。
2）針對同步軸系中電流諧波分量的分析結果，設計了基于PIR控制的ZSC抑制方案，該方案可以對同步軸系下電流中的二倍頻及四倍頻分量進行有效的控制，進而實現對ZSC的抑制。
3）根據斷相故障下OW-PMSM系統電壓矢量分布的特點，提出了一種基于正交電壓矢量調制合成參考電壓的統一調制法，可以根據參考電壓的大小和極性判別直接生成調制脈沖序列，從而簡化了斷相故障下共直流母線OW-PMSM系統調制的復雜性。
