基于S-PMSM驱动系统直...的电容电流谐波抑制控制策略_张鹏程.pdf

Application 创新应用398 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月的控制增加了复杂性。本文提出的控制方法不需要附加的电路和复杂的操作,仅基于SVPWM矢量控制策略改进其载波相位，即可达到降低电容器温升和提高其使用寿命的效果。并联三相电压源转换器（VSC）使用交错的主要好处是减少转换器输入和输出端(即直流电容器)的谐波电流。这种PWM技术通过对变换器的门控信号进行相移，使得变换器的开关周期发生交错或相移5,6。在基于载波的PWM的情况下，这是通过每个转换器的载波信号的实际相移来完成的，或者在空间矢量调制（SVM）的情况下，通过交织它们的开关周期时钟信号来完成7。最后，通过搭建2电平S-PMSM驱动系统模型，采用SVPWM算法验证所提方法的有效性和优越性。2 S-PMSM驱动系统拓扑及数学模型 2.1 S-PMSM系统拓扑结构本文基于S-PMSM驱动系统的拓扑结构建立了电0 引言电机驱动系统直流环节电容器大多数使用电解电容器、薄膜电容器和陶瓷电容器。典型的变换器系统的可靠性受到各种元件的影响。其中，电容是决定整个变换器系统可靠性的主要因素之一。提高电容器的使用寿命对提高整个系统的可靠性具有重要意义1。1 研究背景提高电容器寿命的方法主要分为无源方法和有源方法。无源方法包括增加无源元件2，功能电路，或者附加散热设备降低本身温度的方法3。由于增加了硬件，其成本和体积都很高。在有源方法中，通过将由储能元件和开关元件组成的附加电路串联或并联地连接到直流链路电容器，来降低电容器的电流或电压谐波。该方法通过开关器件和储能元件有效地控制了变换器之间的功率流动4。但是由于额外的辅助电路增加了成本和体积，由于额外作者简介：张鹏程，湖南工业大学电气与信息工程学院，硕士研究生；研究方向：电力电子传动。通信作者：张志刚，湖南工业大学电气与信息工程学院，长沙学院电子信息与电气工程学院，教授，博士；研究方向：新能源发电、电机系统控制技术和电子电子传动技术。收稿日期：2023-01-19；修回日期：2023-02-12。摘要：阐述一种基于双逆变器的载波交错技术（CPST），通过上下变流器的开关时钟信号寻优，使部分谐波转换成相间谐波环流和降低了电压波动幅度。实现减小直流环节电容电流谐波，延长了直流环节电容器的使用寿命。通过Matlab/Simulink建立仿真模型，验证了该控制策略的有效性。关键词：控制技术，直流环节电容，载波交错技术。中图分类号：TM341文章编号：1000-0755(2023)02-0398-03文献引用格式：张鹏程，张志刚.基于S-PMSM驱动系统直流环节的电容电流谐波抑制控制策略J.电子技术,2023,52(02):398-400.基于S-PMSM驱动系统直流环节的电容电流谐波抑制控制策略张鹏程1，张志刚1,2(1.湖南工业大学，湖南 412007；2.长沙学院，湖南 410022)Abstract This paper describes a carrier interleave technique(CPST)based on dual inverters.By optimizing the switching clock signal of the up-down converter,some harmonics are converted into interphase harmonic circulation and voltage fluctuation amplitude is reduced.The harmonic current of DC capacitor is reduced and the service life of DC capacitor is extended.Finally,a simulation model is established by Matlab/Simulink to verify the effectiveness of the control strategy.Index Terms control technology,DC-link capacitance,carrier interleaving technique(CPST).Control Strategy of Capacitor Current Harmonic Suppression Based on DC Link of Six-phase Motor Drive SystemZHANG Pengcheng1,ZHANG Zhigang1,2(1.Hunan University of Technology,Hunan 412007,China.2.Changsha University,Hunan 410022,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 399容器电流谐波的分析模型，如图1所示，此结构由不控三相整流(UBR)和两个逆变器(Inverter)并联在直流环节上组成。并假定S-PMSM处于稳态运行。此外，逆变器采用规则对称SVPWM控制策略5。2.2 直流环节电容器电流谐波数学模型直流环节电流谐波是由变流器在PWM信号的驱使下进行高频率的开关，从而产生大量谐波。直流链路电流由两个逆变器的输入电流组成，包括交流分量和直流分量，如式（1）所示。（1）流入直流环节电容器的谐波电流和逆变器开关函数有密切关系，在时域中有式（2）和式（3）。（2）（3）式中，S(u,v,w,r,s,t)为逆变器的开关函数。I(U,V,W)和I(r,s,t)表示各自相位中的单个电流幅值。基于SVPWM算法开关函数的频域分析如式（4）所示。（4）其中，S(R,S,T)的开关函数以此类推。因此可得上下逆变器之间的直流环节电流关系,如式（5）。（5）式中，m,n分别代表载波倍频和基波倍频的指数，h表示基波频率与载波频率的比值，k为载波交错角。载波发生位移电流谐波将减小。3 基于SVPWM算法的CPST控制策略本文提出的CPST控制策略原理基于SVPMW控制模型，采用传统的id=0矢量控制策略来控制S-PMSM，使S-PMSM具有良好的动态性能。重点是上下两个逆变器在生成PWM控制信号时所使用的对比载波信号相对位置不同，如图2所示。使VSC各相间电流一部分转换成循环电流，从而达到减小流入直流环节电容器的谐波电流。4 系统仿真分析通过实验和仿真验证了本文提出方法的有效性。所有实验数据均通过Matlab/Simulink仿真平台获取。开关频率和控制频率均为4kHz。将相电流视为理想余弦函数。输入三相电压幅值326V，基本电流频率为50Hz。仿真系统针对两个逆变器的SVPWM控制策略设置了90交错角，并且电容电流谐波明显降低。图3显示了不同调制指数M、位移角G=0和G=90条件下图3 仿真分析图1 系统拓扑结构图2 上下VSC交错的开关时钟信号Application 创新应用400 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月iinv的频谱分析。如图4所示，为本文所提CPST策略和传统SVPWM策略下直流环节电容电流谐波图，在传统SVPWM策略下电容电流谐波存在较大的二倍频谐波，而在本文所提CPST策略下，直流环节电容电流谐波二倍频谐波减少约50%。CPST控制策略谐波抑制策略明显，电容温升降低，使用寿命得到提升。5 结语为S-PMSM驱动系统解决了传统的直流环节电容电流谐波过大，使用寿命低等问题。本文采用载波相移策略（CPST）大大降低了直流侧电容电流谐波，没有附加任何设备，提高成本和系统体积。很好地改善了S-PMSM直流环节电容器的使用寿命问题，也提高了驱动系统的稳定性。参考文献1 H.Wang,F.Blaabjerg.Reliability ofcapacitors for dc-link applicationsin power electronic convertersAnoverviewJ.IEEETrans.Ind.Inform.2 刘剑.六相永磁同步发电机控制技术研究D.黑龙江：哈尔滨工业大学,2014.3 成林千,何立群,朱灿焰,黄培林,王乾丞,汪诚.三相AC/DC型电力电子变压器高频直流环节回流功率优化控制研究J.电源学报,2021,19(04):118-128.4刘剑,杨贵杰,高宏伟,周长攀.双三相永磁同步发电机的矢量控制与数字实现J.电机与控制学报,2013,17(04):50-56+63.5 W.H.Cuttino,M.Maxwell.The naturalfrequency of parallel capacitorbanksJ.Trans.Amer.Inst.Elect.Eng.,1956,75(3):662-666.6 C.Chen,Y.Chen,Y.Tan,J.Fang,F.Luo,Y.Kang.On the practical design of ahigh power density SiC single-phaseuninterrupted power supply systemJ.IEEETrans.Ind.Inform.7高红联.一种SVPWM脉宽调制控制算法的理论探讨J.电气开关,2009,47(02):11-13.图4 CPST前后直流环节电容电流谐波FFT分析图