基于三電平變流器的PMSM無速度傳感器控制研究

趙 鵬，郜亞秋，孫樹敏，張海龍，程 艷，王士柏

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基于三電平變流器的PMSM無速度傳感器控制研究

趙 鵬1，郜亞秋2，孫樹敏1，張海龍2，程 艷1，王士柏1

（1.國網山東省電力公司電力科學研究院，濟南 250003，2. 西安許繼電力電子技術有限公司，西安 710075)

隨著海上風電的快速發展，大功率永磁同步電機的應用越來越多，采用三電平變流器的中壓系統因其更低的諧波和更好的控制效果得到了廣泛應用。本文介紹了一種基于60°坐標系三電平變流器的SVPWM實現方法，該方法可以省去復雜的三角函數運算，易于工程實現，且控制效果良好；在此基礎上介紹了采用模型參考自適應方法實現的永磁同步電機的無速度傳感器控制方案，此辨識方法控制原理簡單，系統的動態特性好。通過搭建系統的仿真模型，證明了采用60°坐標系的SVPWM方法的正確性和有效性，并驗證了基于模型參考自適應的矢量控制方案的控制效果，可以準確獲取電機轉速和轉子位置角信息，并且在突加突減負載的條件下，系統都可以穩定運行，動態特性良好。

三電平；直驅機組；PMSM；模型參考自適應

0 前言

隨著近年海上風力發電的迅速發展，直驅機組因其具有易于維護、可靠性高等突出的優點在海上風電領域得到了大規模的應用，越來越多的整機廠家的海上風電機組采用直驅型。考慮到整機的成本，直驅并網機組的功率等級大幅度提高，風電機組的功率等級的提升也帶來新的問題。若采用低壓系統，電流將快速增加。受器件發展限制，目前功率等級為2MW和3MW的陸地機型多采用了變流器并聯或者模塊并聯的技術，并聯變流器會使得變流器體積過大并且可靠性降低，顯然不適用于海上風電的可靠性更高的要求。因此，目前海上風電使用的機組多為中壓系統，通過提高電壓等級，可以將發電機、變流器及電纜的損耗降至最低，降低系統的電流值，同時能夠節省空間，提高效率。采用三電平變流器的中壓系統因其更低的諧波和更好的控制效果而受到廣泛關注。

文獻[1]中介紹了目前大功率直驅型風力發電系統的主要拓撲結構，通過分析說明了二極管箝位式三電平電路因成本低、控制簡單而成為最常用的電路拓撲。文獻[2]中介紹了采用基于60°坐標系實現三電平SVPWM控制的基本原理，此方法不需要復雜的三角函數運行，可以大大簡化計算并且控制效果與傳統算法基本相同，具有很好的實用價值。文獻[3]~[4]中介紹了電機控制采用的矢量控制、無速度傳感器控制算法，但其僅應用于利用級聯變流器的異步電機或雙饋異步發電機；文獻[5]~[8]中介紹了目前大功率永磁同步電機比較常用的控制算法，主要包括矢量控制和無速度傳感器控制，其中無速度傳感器算法包括采用鎖相環、全階磁鏈觀測器、滑模觀測器和模型參考自適應等方法；采用鎖相環的控制方法原理簡單、設計方便易于實現，但是動態特性不夠好，可能導致系統出現波動時失控；采用全階磁鏈觀測器和滑模觀測器的速度估算方案，控制效果好、魯棒性強，但是控制算法復雜、工程實現較困難，因此在實際產品中應用很少。而采用模型參考自適應的控制方法，控制原理簡單，系統的動態特性好且對參數的魯棒性也很好，適合于風電系統中的應用。

本文介紹了三電平變流器控制的永磁同步電機控制方案，通過60°坐標系下的SVPWM實現了變流器的輸出調制，采用基于模型參考自適應方法(MRAS, Model Reference Adaptive System)獲取電機的轉速和轉子位置角，控制效果良好，滿足系統控制要求。

1 永磁同步電機矢量控制介紹

1.1 永磁同步電機數學模型

永磁同步電機在基于轉子磁場定向的dq旋轉坐標系下的數學模型為：

電機的電磁轉矩方程為：

1.2 永磁同步電機矢量控制原理

矢量控制從理論上解決了交流電動機轉矩的高性能控制問題。矢量控制通過坐標變換將交流電機內部復雜耦合的非線性變量變換為相對坐標系為靜止的直流變量，達到模擬直流電機控制的效果。永磁同步電機的勵磁決定于永磁體勵磁磁場的強弱以及定子電流空間矢量的幅值和相位，電磁轉矩也取決于定子電流矢量的幅值和相位，通過合理地控制定子電流矢量相位和幅值即可以實現電機勵磁和轉矩的解耦控制。

圖1 永磁同步電機矢量控制原理圖

2 三電平SVPWM實現

圖2所示為三電平變流器等效電路圖，通過分析電路可知，每個橋臂有三種輸出狀態，三相橋臂輸出可以有27種組合。

圖2 三電平PWM變流器的等效電路圖

設采用的60°坐標系為g-h坐標系，并取g軸與α-β坐標系中的α軸重合，逆時針旋轉 60°作為h軸。設參考電壓矢量Uref在α-β坐標系中的坐標為（U，U），在g-h坐標系下的坐標為（U，U），可知，兩坐標系間的變換為：

將三電平變流器的19個基本矢量變換到g-h坐標系下，可得到60°坐標系下三電平變流器的空間矢量圖，如圖3所示：

圖3 60°坐標系下三電平變流器空間電壓矢量圖

通過圖3中所示坐標可知，60°坐標系下所有基本矢量的坐標均為整數，因此對于任意的空間參考電壓矢量U，距離最近的4個基本矢量，都可以通過其在 60°坐標系下的坐標向上和向下取整得到。圖 3 中，參考電壓矢量U對應的 4 個基本矢量為：

U、U為參考矢量ref最近的2個基本矢量，第 3個最近的矢量與參考電壓矢量U位于對角線U-U(矢量U與U端點的連線)的同一側，該對角線在60°坐標系下的方程為：

=U+U（5）

式中:U、U分別為U在、軸上的投影。根據表達式U+U-(U-U)的符號，可確定第3個距離參考矢量ref最近的基本矢量。當表達式的值大于0時，U為第3個最近的基本矢量，當表達式的值小于0時，U為第3個最近的基本矢量。

根據上述步驟確定了參考電壓矢量的3個最近的基本矢量，根據電壓空間矢量合成的伏秒平衡原理可得出：

式中：1=U；2=U；3=U或U；T為PWM 周期；1、2、3為電壓1、2、3的作用時間，所有開關狀態的坐標均為整數，方程組（6）的解可基于參考電壓矢量的小數部分獲得。

當3=U時，將方程組在-坐標下展開，可以解得：

同理，當3=U時，可得：

采用基于60°坐標系的SVPWM控制算法，該算法不需要進行復雜的三角函數運算，通過簡單的邏輯判斷就可以得到參考矢量的位置和合成參考矢量的最近三個矢量，大大簡化了參考電壓矢量合成和作用時間計算。

3 無速度傳感器控制算法介紹

采用模型參考自適應方法完成電機速度和轉子位置角獲取。把PMSM本身作為參考模型，將電流模型作為可調模型。以凸極發電機為例，區分dq軸電感，可以得到PMSM 在dq 坐標系下的定子電流數學模型：

分析系統穩定性，將轉速約束于系統矩陣中，可以將電機數學模型變換為：

通過上述分析可以獲取模型參考自適應方法的基本原如圖4所示。

圖4 MRAS原理框圖

4 仿真研究

搭建了系統仿真模型,電機參數如下：額定功率：50kW，極對數：3；定子電阻：0.1435Ω；定子電感：0.0121H；反電勢（線電勢）：400V；額定電流：90A；磁鏈：1.04Wb；額定轉速：1500r/min；開關頻率f=2000Hz。

電機設定為額定轉矩318N·m不變，電機轉速在0~1s內設定為1500r/min起動，在1.2s時將電機轉速修改為750r/min的仿真結果如圖5所示。

圖5 恒定轉矩變轉速仿真波形

由圖5的仿真波形可以看出，電機輸出轉速可以準確跟隨給定轉速，辨識獲取的角度準確，系統轉速出現突變時動態過程波動較小，系統運行平穩，轉矩輸出穩定。

電機轉速設定為1500r/min不變，電機轉矩在0-1s內設定為額定轉矩318N·m，在1s時電機轉矩設定為半載159N·m，仿真結果如圖6所示。

圖6 恒定轉速變轉矩仿真波形

由圖6可以看出，在電機進行突加突減負載的過程中，電機運行平穩，轉速波動很小，辨識角度和速度均滿足系統控制要求，動態特性良好，穩態誤差較小。

5 實驗驗證

采用20kW三電平變流器樣機進行控制算法驗證，系統參數如下：電網線電壓380V，頻率50Hz，直流母線電壓dc=600V，變流器網側LCL濾波器，L=1mH，con=0.5mH，=10μF，直流母線電容1=2=4700μF。開關頻率f=2000Hz。

圖7 SVPWM算法實驗波形

圖7中所示為輸出線電壓波形和相電流波形，通過波形可以看出，基于60°坐標系的SVPWM控制算法的正確性和有效性，滿足控制要求。

圖8 電機實驗平臺

采用50kW永磁同步電機進行無速度算法驗證，電機參數如下：額定功率：50kW極對數：3；定子電阻：0.1435Ω；定子電感：0.0121H；反電勢（線電勢）：400V；額定電流：90A；磁鏈：1.04Wb 額定轉速：1500r/min；開關頻率f=2000Hz。

圖9中所示電機電壓波形和電流波形，通過波形可以看出，采用的無速度傳感器控制算法可以準確獲取電機轉速和電機的轉子位置角，滿足電機控制要求。

6 結論

本文介紹了基于60°坐標系的三電平SVPWM實現方法和模型參考自適應進行無速度傳感器控制的方法，通過仿真和實驗驗證可以看出，基于60°坐標系的三電平SVPWM算法，輸出結果正確有效。并通過仿真和實驗驗證了基于三電平變流器在永磁同步電機上無速度傳感器控制的正確性和有效性，電機控制系統在動態過程中波動小，快速跟蹤，穩態誤差小，完全滿足電機控制要求,為這兩種控制方法在海上風電直驅機組的應用提供了有價值的參考。

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Study onSpeed Sensorless Control of PMSM Based on Three Level Inverter

ZHAO Peng1,GAOYaqiu2, Sun Shumin1, Zhang Hailong2,CHENG Yan1, WANG Shibai1

(1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute,Ji’nan,250003, china;2. Xi'an XJ Power Electronics Technology, Co.,Ltd, Xi’an 710075, China)

With the rapid development of offshore wind power, high power permanent magnet synchronous motor(PMSM) are used more and more widely, and three level medium voltage converters are used widely because of lower harmonic and better control. This paper introduces a SVPWM method of three level converter which is based on 60 °coordinates. This method can omit the complex operation of trigonometric function, easy to implement in engineering, and has good control effect; Speed sensorless control scheme using the model reference adaptive for PMSM is also presented, the identification method is simple with good dynamic characteristics. Through constructing the simulation model of the system, the correctness and effectiveness of using the SVPWM method for 60° coordinate system is proved, and the effect of vector control based on model reference adaptiveis verified. Rotor speed and rotor position angle information can be accurately obtained, and in variable load conditions, the system can keep stable operation, and have good dynamic characteristics.

three level; direct-drive converter; PMSM; MRAS

TM315

A

1000-3983(2016)06-0031-06

2016-04-10

趙鵬，（1985-），2010年畢業于浙江大學電氣工程學院，現從事新能源及電力電子技術研究工作，工學碩士，工程師。

審稿人：宮海龍