基于三电平变流器的PMSM无速度传感器控制研究

赵 鹏，郜亚秋，孙树敏，张海龙，程 艳，王士柏



基于三电平变流器的PMSM无速度传感器控制研究

赵 鹏1，郜亚秋2，孙树敏1，张海龙2，程 艳1，王士柏1

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，济南 250003，2. 西安许继电力电子技术有限公司，西安 710075)

随着海上风电的快速发展，大功率永磁同步电机的应用越来越多，采用三电平变流器的中压系统因其更低的谐波和更好的控制效果得到了广泛应用。本文介绍了一种基于60°坐标系三电平变流器的SVPWM实现方法，该方法可以省去复杂的三角函数运算，易于工程实现，且控制效果良好；在此基础上介绍了采用模型参考自适应方法实现的永磁同步电机的无速度传感器控制方案，此辨识方法控制原理简单，系统的动态特性好。通过搭建系统的仿真模型，证明了采用60°坐标系的SVPWM方法的正确性和有效性，并验证了基于模型参考自适应的矢量控制方案的控制效果，可以准确获取电机转速和转子位置角信息，并且在突加突减负载的条件下，系统都可以稳定运行，动态特性良好。

三电平；直驱机组；PMSM；模型参考自适应

0 前言

随着近年海上风力发电的迅速发展，直驱机组因其具有易于维护、可靠性高等突出的优点在海上风电领域得到了大规模的应用，越来越多的整机厂家的海上风电机组采用直驱型。考虑到整机的成本，直驱并网机组的功率等级大幅度提高，风电机组的功率等级的提升也带来新的问题。若采用低压系统，电流将快速增加。受器件发展限制，目前功率等级为2MW和3MW的陆地机型多采用了变流器并联或者模块并联的技术，并联变流器会使得变流器体积过大并且可靠性降低，显然不适用于海上风电的可靠性更高的要求。因此，目前海上风电使用的机组多为中压系统，通过提高电压等级，可以将发电机、变流器及电缆的损耗降至最低，降低系统的电流值，同时能够节省空间，提高效率。采用三电平变流器的中压系统因其更低的谐波和更好的控制效果而受到广泛关注。

文献[1]中介绍了目前大功率直驱型风力发电系统的主要拓扑结构，通过分析说明了二极管箝位式三电平电路因成本低、控制简单而成为最常用的电路拓扑。文献[2]中介绍了采用基于60°坐标系实现三电平SVPWM控制的基本原理，此方法不需要复杂的三角函数运行，可以大大简化计算并且控制效果与传统算法基本相同，具有很好的实用价值。文献[3]~[4]中介绍了电机控制采用的矢量控制、无速度传感器控制算法，但其仅应用于利用级联变流器的异步电机或双馈异步发电机；文献[5]~[8]中介绍了目前大功率永磁同步电机比较常用的控制算法，主要包括矢量控制和无速度传感器控制，其中无速度传感器算法包括采用锁相环、全阶磁链观测器、滑模观测器和模型参考自适应等方法；采用锁相环的控制方法原理简单、设计方便易于实现，但是动态特性不够好，可能导致系统出现波动时失控；采用全阶磁链观测器和滑模观测器的速度估算方案，控制效果好、鲁棒性强，但是控制算法复杂、工程实现较困难，因此在实际产品中应用很少。而采用模型参考自适应的控制方法，控制原理简单，系统的动态特性好且对参数的鲁棒性也很好，适合于风电系统中的应用。

本文介绍了三电平变流器控制的永磁同步电机控制方案，通过60°坐标系下的SVPWM实现了变流器的输出调制，采用基于模型参考自适应方法(MRAS, Model Reference Adaptive System)获取电机的转速和转子位置角，控制效果良好，满足系统控制要求。

1 永磁同步电机矢量控制介绍

1.1 永磁同步电机数学模型

永磁同步电机在基于转子磁场定向的dq旋转坐标系下的数学模型为：

电机的电磁转矩方程为：

1.2 永磁同步电机矢量控制原理

矢量控制从理论上解决了交流电动机转矩的高性能控制问题。矢量控制通过坐标变换将交流电机内部复杂耦合的非线性变量变换为相对坐标系为静止的直流变量，达到模拟直流电机控制的效果。永磁同步电机的励磁决定于永磁体励磁磁场的强弱以及定子电流空间矢量的幅值和相位，电磁转矩也取决于定子电流矢量的幅值和相位，通过合理地控制定子电流矢量相位和幅值即可以实现电机励磁和转矩的解耦控制。

图1 永磁同步电机矢量控制原理图

2 三电平SVPWM实现

图2所示为三电平变流器等效电路图，通过分析电路可知，每个桥臂有三种输出状态，三相桥臂输出可以有27种组合。

图2 三电平PWM变流器的等效电路图

设采用的60°坐标系为g-h坐标系，并取g轴与α-β坐标系中的α轴重合，逆时针旋转 60°作为h轴。设参考电压矢量Uref在α-β坐标系中的坐标为（U，U），在g-h坐标系下的坐标为（U，U），可知，两坐标系间的变换为：

将三电平变流器的19个基本矢量变换到g-h坐标系下，可得到60°坐标系下三电平变流器的空间矢量图，如图3所示：

图3 60°坐标系下三电平变流器空间电压矢量图

通过图3中所示坐标可知，60°坐标系下所有基本矢量的坐标均为整数，因此对于任意的空间参考电压矢量U，距离最近的4个基本矢量，都可以通过其在 60°坐标系下的坐标向上和向下取整得到。图 3 中，参考电压矢量U对应的 4 个基本矢量为：

U、U为参考矢量ref最近的2个基本矢量，第 3个最近的矢量与参考电压矢量U位于对角线U-U(矢量U与U端点的连线)的同一侧，该对角线在60°坐标系下的方程为：

=U+U（5）

式中:U、U分别为U在、轴上的投影。根据表达式U+U-(U-U)的符号，可确定第3个距离参考矢量ref最近的基本矢量。当表达式的值大于0时，U为第3个最近的基本矢量，当表达式的值小于0时，U为第3个最近的基本矢量。

根据上述步骤确定了参考电压矢量的3个最近的基本矢量，根据电压空间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为PWM 周期；1、2、3为电压1、2、3的作用时间，所有开关状态的坐标均为整数，方程组（6）的解可基于参考电压矢量的小数部分获得。

当3=U时，将方程组在-坐标下展开，可以解得：

同理，当3=U时，可得：

采用基于60°坐标系的SVPWM控制算法，该算法不需要进行复杂的三角函数运算，通过简单的逻辑判断就可以得到参考矢量的位置和合成参考矢量的最近三个矢量，大大简化了参考电压矢量合成和作用时间计算。

3 无速度传感器控制算法介绍

采用模型参考自适应方法完成电机速度和转子位置角获取。把PMSM本身作为参考模型，将电流模型作为可调模型。以凸极发电机为例，区分dq轴电感，可以得到PMSM 在dq 坐标系下的定子电流数学模型：

分析系统稳定性，将转速约束于系统矩阵中，可以将电机数学模型变换为：

通过上述分析可以获取模型参考自适应方法的基本原如图4所示。

图4 MRAS原理框图

4 仿真研究

搭建了系统仿真模型,电机参数如下：额定功率：50kW，极对数：3；定子电阻：0.1435Ω；定子电感：0.0121H；反电势（线电势）：400V；额定电流：90A；磁链：1.04Wb；额定转速：1500r/min；开关频率f=2000Hz。

电机设定为额定转矩318N·m不变，电机转速在0~1s内设定为1500r/min起动，在1.2s时将电机转速修改为750r/min的仿真结果如图5所示。

图5 恒定转矩变转速仿真波形

由图5的仿真波形可以看出，电机输出转速可以准确跟随给定转速，辨识获取的角度准确，系统转速出现突变时动态过程波动较小，系统运行平稳，转矩输出稳定。

电机转速设定为1500r/min不变，电机转矩在0-1s内设定为额定转矩318N·m，在1s时电机转矩设定为半载159N·m，仿真结果如图6所示。

图6 恒定转速变转矩仿真波形

由图6可以看出，在电机进行突加突减负载的过程中，电机运行平稳，转速波动很小，辨识角度和速度均满足系统控制要求，动态特性良好，稳态误差较小。

5 实验验证

采用20kW三电平变流器样机进行控制算法验证，系统参数如下：电网线电压380V，频率50Hz，直流母线电压dc=600V，变流器网侧LCL滤波器，L=1mH，con=0.5mH，=10μF，直流母线电容1=2=4700μF。开关频率f=2000Hz。

图7 SVPWM算法实验波形

图7中所示为输出线电压波形和相电流波形，通过波形可以看出，基于60°坐标系的SVPWM控制算法的正确性和有效性，满足控制要求。

图8 电机实验平台

采用50kW永磁同步电机进行无速度算法验证，电机参数如下：额定功率：50kW极对数：3；定子电阻：0.1435Ω；定子电感：0.0121H；反电势（线电势）：400V；额定电流：90A；磁链：1.04Wb 额定转速：1500r/min；开关频率f=2000Hz。

图9中所示电机电压波形和电流波形，通过波形可以看出，采用的无速度传感器控制算法可以准确获取电机转速和电机的转子位置角，满足电机控制要求。

6 结论

本文介绍了基于60°坐标系的三电平SVPWM实现方法和模型参考自适应进行无速度传感器控制的方法，通过仿真和实验验证可以看出，基于60°坐标系的三电平SVPWM算法，输出结果正确有效。并通过仿真和实验验证了基于三电平变流器在永磁同步电机上无速度传感器控制的正确性和有效性，电机控制系统在动态过程中波动小，快速跟踪，稳态误差小，完全满足电机控制要求,为这两种控制方法在海上风电直驱机组的应用提供了有价值的参考。

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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

赵鹏，（1985-），2010年毕业于浙江大学电气工程学院，现从事新能源及电力电子技术研究工作，工学硕士，工程师。

审稿人：宫海龙