基于SOGI的船用永磁同步電機諧波電流抑制方法

張 浩，何忠祥，鄭海濱，吳昌浩

應(yīng)用研究

基于SOGI的船用永磁同步電機諧波電流抑制方法

張 浩，何忠祥，鄭海濱，吳昌浩

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

受轉(zhuǎn)子磁體諧波、變頻器死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降等因素的影響，船用永磁同步電機運行過程中氣隙磁場會產(chǎn)生畸變，導(dǎo)致定子電流含有大量特征諧波分量。本文通過引用改進型二階廣義積分器(SOGI)，可實現(xiàn)低頻諧波分量的提取，進而通過PI反饋調(diào)制，實現(xiàn)了輸出電流主導(dǎo)諧波成分的抑制。仿真分析驗證了該文理論分析和計算的正確性。

永磁同步電機 磁場諧波 二階廣義積分器

0 引言

隨著永磁材料性能的提高和現(xiàn)代自動控制技術(shù)的成熟，永磁推進電機以其高啟動轉(zhuǎn)矩、寬調(diào)速范圍的優(yōu)點在船用電力推進領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛。受轉(zhuǎn)子磁體諧波、變頻器死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降等因素的影響，船用永磁同步電機氣隙磁場中存在大量諧波分量；這導(dǎo)致輸出電磁轉(zhuǎn)矩中產(chǎn)生較大的脈動，影響電力驅(qū)動設(shè)備的聲隱身性能。

永磁同步電機推進系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)的矢量控制策略，變流器和電機各種非理想因素都會體現(xiàn)至定子諧波電流中。因此，研究定子諧波電流的提取和反饋控制具有重要的意義。結(jié)合考慮控制器帶寬、振動主導(dǎo)頻譜，目前的諧波電流抑制研究，主要集中在因逆變器死區(qū)和管壓降等因素引起的6次分量上[1-3]。本文首先給出永磁同步電機雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)基本原理，然后分析逆變器死區(qū)和管壓降等非理想因素的諧波影響，進而結(jié)合二階廣義積分器SOGI[4]，通過PI反饋調(diào)制，實現(xiàn)了永磁同步電機低頻主導(dǎo)諧波成分的抑制，最后通過仿真驗證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

1 永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)

為實現(xiàn)電機高性能控制，需要推導(dǎo)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型。不計磁路飽和、磁滯等效應(yīng)的影響，考慮定轉(zhuǎn)子對稱分布，定子磁勢理想正弦分布，可建立永磁同步電機在旋轉(zhuǎn)兩相坐標系下的數(shù)學(xué)模型：

2 永磁同步電機諧波分析

受采樣計算頻率的影響，軟件僅能針對電機基頻及其倍頻諧波采取閉環(huán)控制。本文控制對象為因變流器非理想因素導(dǎo)致的低頻諧波主導(dǎo)分量。

由于開關(guān)管死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降和最小脈寬等因素的影響。根據(jù)沖量守恒定律，逆變開關(guān)管平均誤差電壓表示為：

開關(guān)管非理想特性會造成輸出電壓基頻分量減小和高頻分量增加，使得電機靜止兩相坐標系下施加的電壓與期望電壓產(chǎn)生偏差。對式（4）電壓偏差進行頻譜分析，可知該非理想因素會導(dǎo)致定子電流中產(chǎn)生5次負序、7次正序諧波分量，進而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)坐標系下產(chǎn)生6次諧波分量，產(chǎn)生對應(yīng)頻次的轉(zhuǎn)矩脈動。

3 基于SOGI的永磁同步電機諧波控制

為實現(xiàn)正弦交流信號的無靜差跟蹤控制，根據(jù)內(nèi)?？刂圃恚刂破鞅仨毢姓倚盘柕膬?nèi)模。為了降低頻率系統(tǒng)動態(tài)特性的影響，本文引入改進型二階積分器SOGI，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為：

圖1 SOGI結(jié)構(gòu)圖

該SOGI的傳遞函數(shù)為：

式(4)為二階帶通濾波器，其傳遞函數(shù)可以轉(zhuǎn)換為：

該SOGI波特圖如圖2所示，由此可得，該型控制器通帶寬，對頻率的依賴性不強。

圖2 不同SOGI增益下的bode圖

品質(zhì)因數(shù)越大，陷波器窄帶濾波效果越好，性能越佳；但對頻率變化的敏感性也越強，因此，品質(zhì)因數(shù)(控制器增益)需要根據(jù)電機頻率波動范圍和窄帶濾波效果綜合考慮。

為抑制交直軸的電流諧波，本文采用PI控制器和SOGI串聯(lián)的方法，如圖3所示。通過SOGI提取諧波電流，然后根據(jù)PI控制器得到需要補償?shù)碾妷?。選擇低頻6次諧波分量作為控制輸入，擾動表達式為：

4 仿真與分析

為驗證本文理論分析的正確性和所提策略的有效性，運用Matlab/Simulink建立了基于SOGI的永磁同步電機諧波控制模型。該電機額定轉(zhuǎn)速為260 min，極對數(shù)為6，定子電阻為0.0188 Ω，交軸電感為1.02687 mH，直軸電感為0.9585 mH。，設(shè)置開關(guān)管延時導(dǎo)通死區(qū)為2 μs。

圖4 交直軸電流偏差輸入輸出對比波形圖

圖5和圖6分別為未采取基于SOGI的諧波控制和采取控制，轉(zhuǎn)矩電流iq反饋偏差FFT頻譜波形圖。從中可知，采取基于SOGI的諧波控制后，6倍頻諧波電流分量從1.351 A降低至0.1814 A，可顯著提高電力驅(qū)動設(shè)備的聲隱身性能。

圖5 無諧波控制下的轉(zhuǎn)矩電流偏差頻譜圖

圖6 諧波控制下的轉(zhuǎn)矩電流偏差頻譜圖

5 結(jié)論

本文通過分析轉(zhuǎn)子磁體諧波、變頻器死區(qū)效應(yīng)、導(dǎo)通壓降等因素的影響，得到了低頻主導(dǎo)諧波含量，通過采用改進型二階廣義積分器(SOGI)，實現(xiàn)了諧波分量的無差別提取，進而通過PI反饋調(diào)制，實現(xiàn)了該諧波成分的抑制，最后，通過仿真驗證了該文理論分析和計算的正確性。

[1] 李帥, 孫立志, 劉興亞, 等. 永磁同步電機電流諧波抑制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(S1): 87-96.

[2] 張海洋, 許海平, 方程, 等. 基于比例積分-準諧振控制器的直驅(qū)式永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動抑制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(19): 41-51.

[3] 廖勇, 甄帥, 劉刃, 等. 用諧波注入抑制永磁同步電機轉(zhuǎn)矩脈動[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2011, 31(21): 119-127.

[4] 李生民, 梁吉寧, 肖亞敏. 基于SOGI的PMSM諧波電流抑制方法研究[J]. 電力電子技術(shù), 2019, 53(10): 67-70.

Harmonic current suppression method of marine PMSM based on SOGI

Zhang Hao, He Zhongxiang, Zheng Haibing, Wu Changhao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2022）12-0008-03

2022-08-22

張浩(1981-)，男，高級工程師。研究方向：電機與電器。E-mail: 237632488@qq.com