基于四分之一周期延时法提取5/7次dq谐波分量

王昌垒 吴文菊

摘要：针对现有低速永磁发电系统电机存在5/7次谐波的控制问题，提出了一种基于四分之一周期延时法进行5/7次谐波dq轴分量的分解方法，并建立Matlab/Simulink仿真模型验证方法正确性，该方法已成功应用到工程实际中，控制效果显著。

关键词：四分之一周期延时法;5/7次谐波;仿真模型;

中图分类号：TH-39 文献标识码：A 文章编号：1671-0924 （2022） xx-xxxx-x

0 引言

常见的鼠笼异步发电机和双馈异步发电机由于存在齿轮箱，双馈异步发电机还存在碳刷和滑环，使得系统成本高、可靠性差、维护量大等问题，并且低负荷运行时，效率较低，特别是随着单机容量的增加，问题更加突出，直驱和无刷化越来越受到人们的关注。因此，基于直驱永磁发电机的风电机组越来越成为大功率发电机组的首选方案[1]。永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）在本体结构上，由于工艺偏差、齿槽效应以及转子永磁体结构缺陷等，引起电机本体气隙磁场畸变，导致电机反电动势波形畸变，主要表现为5次和7次谐波。在变流器驱动方面会存在死区时间和管压降的影响[2]，这两个方面会引起6k±1（k 为自然数）次电压谐波。无论是电机反电动势谐波还是逆变器输出的电压谐波，谐波幅值均随谐波次数增大而衰减，因此主要考虑5、7次谐波，更高次谐波忽略不计。从系统控制策略角度，利用谐波补偿算法来抑制电流谐波，主要电流谐波抑制策略有谐波电压补偿多旋转PI控制、比例谐振（Proportional resonant，PR）控制、复矢量PI（Complex vector PI，CVPI）控制、重复控制（Repetitive Control，RC）、自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control， ADRC，其中PR控制容易引起系统谐振，RC和ADRC控制算法较为复杂，谐波电压补偿多旋转PI控制[3]易于工程实现。多旋转PI控制的核心是能够准确分离出5次和7次谐波在各自坐标系下dq轴电流分量，传统的方法是通过低通滤波的方法提取5次和7次谐波分量，该方法存在延时大不准确的情况，本论文通过分析提出了一种基于四分之一周期延时法[4]分解5次和7次谐波dq轴分量的方法。

1 5次和7次谐波分离原理

在PMSM 稳态运行中，因气隙磁场畸变、逆变器管压降和死区时间等因素，导致电机电流波形畸变，使其含有5、7、11、13 次等一系列谐波分量。这些谐波电流分量，会导致电机转矩脉动，其中5、7 次谐波电流分量对电机运行影响较大，会导致电机电磁转矩产生6 次脉动。本文以永磁同步电机为研究对象，探索一种5次和7次谐波分离的方法。在PMSM静止三相坐标轴系下，5次谐波电压向量旋转方向与基波向量旋转方向相反，旋转速度为5w。7次谐波电压向量旋转方向与基波电压向量旋转方向相同，旋转速度为7w。假设PMSM三相电压仅含有5、7次谐波，电压方程可以表示为：

从而获得了5次和7次諧波的dq轴分量。

2 仿真验证5/7次谐波dq分量提取方法

搭建simulink仿真模型，电压源采用matlab自带的Three-Phase Programmable Voltage Source模块，设置电网线电压有效值为690V，频率50Hz，在1-1.1s期间加入10%的5次负序谐波电压，20%的7次正序谐波电压，mexC函数按照5/7次提取原理进行编程，将结果输出到示波器，从仿真中得到7次谐波的dq轴分量为13和-137.5，均方根为138.1（20.02%电网电压幅值，与电网模块设置一致），5次谐波dq轴分量分别为68.7和6.26，均方根为68.98（10.00%电网电压幅值，与电网模块设置一致），从仿真可以看出该方法是有效的。

3 结束语

本论文提供了一种5/7次谐波dq轴分量提取方法，通过理论推导和仿真验证了方法的正确性，目前该方法已在直驱变流器控制中得到应用，能够有效地降低机侧5、7次谐波电流，该方法具有很强的工程价值。

参考文献

[1] 薛玉石，韩力，李辉. 直驱永磁同步风力发电机组研究现状与发展前景[J]，电机与控制应用，2008，35（4）.

[2] 廖勇，姚骏，杨顺昌.交流励磁发电机励磁电源管压降引起的谐波及其消除方法的研究[J].中国电机工程学报，2004，24（4）：151-156.

[3] 廖勇，甄帅，刘刃，姚骏.用谐波注入抑制永磁同步电机转矩脉动[J]. 中国电机工程学报，2011，119-127.

[4] 杨西全，陈欢.一种电网电压或电流正序分量及负序分量分离方法及装置.中国，201310060986.7[P].2015-08-05.

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