PMSM對拖系統再生能量利用研究

侯黎平 王兵 何孝祖

摘 要：分析傳統對拖測試平臺的負載能量利用情況的基礎上，搭建了一種直流互饋對拖測試系統，穩態運行時，負載回饋能量在兩臺電機循環利用，大大降低了能耗。對拖測試系統中的變工況能量造成直流母線電壓的波動，采用超級電容和電阻混合控制處理不僅能夠吸收被測PMSM減速制動回饋能量，還能穩定系統啟動加速階段造成的母線電壓跌落，使系統安全高效的運行。

關鍵詞：永磁同步電機；互饋對拖；超級電容；能量回收

傳統的能量消耗型電機測試平臺不僅電能消耗成本太高，而且不能滿足大功率PMSM的城市道路工況測試要求。本文研究一種直流互饋的對拖交流傳動測試平臺能將負載PMSM再生發電能量回饋到直流母線，使回饋能量循環利用。這種基于電磁轉矩方式的無功耗負載測試系統，大大降低了能耗[1-3]。

直流互饋對拖測試系統中被測PMSM模擬城市道路工況存在頻繁起動、制動和加減速，變工況過程較大的瞬時能量會造成直流母線電壓波動。當被測PMSM減速制動時，再生制動運行會向直流母線回饋瞬時能量，會造成直流母線電壓快速泵升，若不及時處理不僅會危害開關囂件和控制系統的安全，而且影響負載電機的加載和系統的能效。本文采用超級電容和電阻混合處理變工況的瞬時能量，搭建基于超級電容的對拖測試仿真平臺，仿真結果驗證了該系統方案的正確性和控制策略的可行性。

1對拖測試系統結構及控制原理

1.1 PMSM互饋對拖測試系統結構

對拖測試平臺也就是背靠背（back-to-back）試驗系統，由一套三相交—直整流器組成的直流電源、兩套變流器-PMSM以及系統控制器組成，兩臺PMSM通過機械聯軸器背靠背同軸連接，如圖P所示。由于被測電機系統和負載電機系統結構相同，所以能夠互相模擬負載進行測試，這樣就構成了“雙變流器-PMSM”四象限串聯能量互饋系統[4]。其核心通過機械和電氣的耦合實現能量的循環，測試被測電機和控制系統的功能和性能。

1 2互饋對拖系統運行原理

根據圖1，對拖雙電機都采用采用ld=0轉子磁場定向的矢量控制策略和SVPWM調制控制算法。兩臺PMSM同軸聯結的結構，本文采用控制被測PMSM1工作于轉速閉環，控制整個對拖系統的速度；負載PMSM2工作于轉矩閉環，通過控制負載電機電磁轉矩變化，來模擬被測PMSM1的負載大小，這樣互饋對拖系統能夠靈活的調節轉矩和速度，完成各種工況試驗功能測試需求[5]。

2超級電容和電阻混合儲能系統控制策略

被測PMSM系統模擬道路工況運行時超級電容和電阻混合處理能量控制流程如圖2所示。

超級電容儲能系統在被測PMSM系統啟動加速時補償一定的直流母線跌落電壓，其充、放電控制框圖如圖3所示。要實現儲能系統和直流母線之間能量的雙向流動，對雙向DC-DC變換器采用基于小信號模型的狀態空間平均法分析的電壓、電流的雙閉環控制策略，系統動態響應速度快、穩定范圍寬[6-8]。

整個控制算法中，參考電壓Ure1、Ure2分別為對拖測試系統中被測PMSM起動加速和減速制動時超級電容放電、充電給定電壓域值。首先采集直流母線網壓Ud，實時比較采集直流母線電壓Ud反饋值同給定域值電壓值Ure1，Ure2得到系統狀態判定信號，輸出相應的域值電壓值作為系統的給定。判斷儲能系統的工作模式，若Uref2

然后通過給定域值電壓和母線實際電壓的反饋值Ud比較計算得到系統的輸入電壓信號△Ud，經過電壓環P1控制器調節輸出一個電流信號作為電流環給定值，給定值/L*同實際采集的電流IL反饋值比較，得到占空比控制電壓給定信號△/L，經電壓P1調節器調節得到電流內環輸出的控制占空比D的充放電端電壓Uscc和Udo，通過與三角波比較得到PWM觸發脈沖，實現控制超級電容吸收或釋放能量。

其中在雙閉環控制系統中加入兩個限幅控制器，電壓環的輸出限幅控制器能使充放電電流限制在允許范圍內，保障超級電容和開關器件安全；電流內環限幅控制器維持占空比在一定范圍，從而使超級電容兩端電壓限制在允許的工作范圍內。

3對拖仿真模型及仿真結果分析

通過以上分析，搭建超級電容裝置的雙電機聯合控制互饋對拖仿真測試平臺。對拖測試系統中，超級電容和制動電阻混合儲能系統仿真模型的主要參數，超級電容電壓Uc為624V，容量C為121.9F，內阻為5.6mΩ，母線側電容Cd為74.4μF，電感L為56mH，系統頻率1KHz。

圖4變換器仿真模型中Switchl為制動電阻控制開關，母線接近母線安全電壓時觸發導通，對拖系統穩態狀況運行都是關斷狀態。Switch0為超級電容儲能系統備用投入選擇開關。當對拖系統穩態運行時Switch0開關關斷狀態即超級電容儲能系統備用狀態；系統大范圍起動加速或制動減速過程Switch0導通，雙向DC-DC變換器投入工作。

如圖5混合儲能裝置的控制電路，分為控制邏輯指令判斷模塊和電壓電流雙閉環雙向DC/DC觸發信號控制模塊其中PWMO為雙向DC/DC投入備用觸發信號；PWM3為制動電阻投放觸發信號，PWM1、PWM2分別為IGBT1、IGBT2的觸發信號，控制超級電容充放電。

如圖6充放電控制控制指令判斷是其中PWM3是制動電阻開關的觸發信號，本文設置比較電壓Uref3是1700V，PWMO是母線電壓和Uref1、Uref2邏輯比較產生觸發信號，本文設置Uref1、Uref2分為別1450V和1550V。

首先被測電機啟動加速到1500r/min，1.5速度降到500r/min。接著連續的提速增量分別為200，300，400r/min。

由圖7-10波形對比分析，當系統啟動時需要很大的啟動能量，造成直流母線電壓跌落到1100V左右這時超級電容釋放能量將直流母線電壓抬升到設定電壓值1400V左右。此時超級電容兩端電壓下降，當系統穩定后超級電容進入備用狀態，此時超級電容電壓基本穩定在一個變化不大的區間。

當1.5秒被測電機制動到速度降到500r/min這時由于一個較大的制動速度導致直流母線電壓泵升到1700V此時超級電容進入儲能狀態吸收母線上回饋的瞬時能量，將母線電壓降到設定1550V附近，減小了對系統的沖擊。

2s、2.5s、3s時分別給電機不同的加速量，直流母線電壓對應不同程度的波動。加速量越大，母線電壓波動下降越程度大，則系統加速過程中需要的瞬時能量越大。通過對直流母線電壓的分析，穩定運行時直流母線電壓基本維持在1500V說明系統是穩定的。穩態運行時兩臺電機工作在電動和發電運行狀態，實現能量的循環利用。

4總結

通過對PMSM互饋對拖控制的研究分析，搭建了互饋對拖仿真測試平臺，仿真平臺具有高效節能的功能，能把傳統能耗型對拖測試平臺負載阻力矩消耗掉的機械能量，回饋到直流母線上實現能量循環利用。超級電容模塊充放電提供的瞬時能量，能夠有效減小雙電機起動時的巨大壓降，吸收被測電機制動時回饋到母線的瞬時再生制動能量，有效減小泵升電壓。這不僅提高了能量利用率，而且使直流母線電壓穩定在一個安全運行的區間，增加了系統的安全。

參考文獻

[1）李文勇.大功率交流傳動能量互饋電力機車試驗臺[J]，鐵道機車與動車，2016，（01）：41-46.

[2]劉家鑫.電力牽引傳動系統仿真研究[D]，大連交通大學，2012.

[3]Modeling and SimulationforCommon DC Bus Multi-motor Drive Systems Based on Ac-tivrty Cycle Diagrams.Li J，Tang t，wang T，et al.IEEE Intemational Symposiumon Industrial Electronics. 2010

[4]許迎杰，張全柱，鄧永紅.交流牽引傳動能量互饋試驗臺的研究[J].內燃機車，2008，（06）：48+55.

[5]胡文斌，劉少培，張勝洲，吳軍基.電壓解耦矢量控制交流牽引平臺[J].電機與控制學報，2009，13（06）：903-907，

[6]張秋瑞，葛寶明，畢大強.超級電容在地鐵制動能量回收中的應用研究[J]，電氣化鐵道，2012，23（2）：40-43.

[7]邊宏超.地鐵牽引系統混合型再生制動能量吸收及利用方案的研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[8]武利斌.基于超級電容器的城軌再生制動儲能仿真研究[D].成都：西南交通大學，2011.