阅读说明：本技术 一种提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法 (Control method for improving low voltage ride through capability of matrix converter system ) 是由 阎彦 段永辉 史婷娜 曹彦飞 于 2019-10-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法,包括：1)通过对电网三相电压实时采样并计算来检测电网电压是否发生跌落,当发生跌落后,在负载为电机负载的工况下,计算电机负载下系统可运行的最高转速值,若电机转速大于最高转速值,系统切换到穿越控制模式；2)穿越期间将箝位电容作为能量转换机构,通过维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越；3)当通过步骤1)切换到穿越控制时,系统由正常工作模式转换到穿越模式；将电压环PI控制器的输出作为电机q轴电流控制器的输入参考值。本发明控制方法可以实现电网电压跌落后系统不停机运行的低电压穿越能力,同时抑制系统过流现象,电网电压恢复后系统能够快速恢复运行。(The invention discloses a control method for improving low voltage ride through capability of a matrix converter system, which comprises the following steps: 1) detecting whether the voltage of the power grid drops or not by sampling and calculating the three-phase voltage of the power grid in real time, calculating the highest rotating speed value of the system which can be operated under the motor load under the working condition that the load is the motor load after the voltage of the power grid drops, and switching the system to a ride-through control mode if the rotating speed of the motor is greater than the highest rotating speed value; 2) in the ride-through period, the clamping capacitor is used as an energy conversion mechanism, and the ride-through is realized in a mode of maintaining the voltage of the clamping capacitor constant; 3) when the system is switched to the crossing control through the step 1), the system is switched from a normal working mode to a crossing mode; and taking the output of the voltage loop PI controller as an input reference value of the motor q-axis current controller. The control method can realize the low voltage ride through capability of the system which does not stop running after the voltage of the power grid drops, simultaneously inhibit the over-current phenomenon of the system, and the system can quickly recover running after the voltage of the power grid recovers.)

一种提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法

技术领域

本发明涉及驱动电机的功率变换器控制技术领域，特别是涉及一种矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法。

背景技术

电机系统通常采用电网作为输入电源，受线路短路、接地故障、过负荷等因素影响，电网会出现电压跌落、短时中断、电压变化等电能质量问题。在各类电能质量问题中，电压跌落是发生频次最高的一类故障，其严重影响电机系统的持续运行能力。电机系统一旦发生停机，对于某些重要的工业场合，就会造成生产过程的中断，带来严峻的经济损失。对此，就要求电机系统在电网电压跌落10％～30％额定值的情况下，具备0.06～0.6s不停机运行的低电压穿越(Low Voltage Ride–through,LVRT)能力。

矩阵变换器-永磁同步电机系统(Matrix Converter-Permanent MagnetSynchronous Motor,MC-PMSM)是一类功率密度高、电机再生能量可馈送电网、输入电流波形正弦、功率因数灵活可调的电机系统。其技术水平的发展，对高集成度一体化电机系统关键技术的突破具有重要意义。然而功率拓扑结构中无大容量储能元件的原因，使得系统输出侧极易受到输入侧的影响。当电网电压跌落后系统又不具备LVRT能力时系统需停机运行。对此，国内外专家、学者提出了多种解决方案。这些方案可被分为三类：

1)在拓扑结构中增加储能装置实现穿越，例如超级电容、电池或飞轮等。正常状况下电网给储能装置充电，电网出现故障后储能装置给系统供电维持系统正常运转；

2)通过修改系统拓扑结构实现穿越，例如在传统MC拓扑中增加三个开关器件和直流储能电容，并结合MC中的三个开关组成虚拟电压型逆变器，维持电容电压和电机磁通恒定的方法实现穿越；

3)基于负载惯量原理施加LVRT控制并设计辅助电路实现穿越，具体可分两种，一是利用输入滤波电容储能，同时在拓扑结构中增加三个IGBT，电网故障后通过IGBT将电网与系统隔离，电网不再向系统输送能量，并采用零功率控制实现穿越；二是利用箝位电容储能实现穿越，该穿越方法又分为3种方式：采用磁链滞环控制施加箝位电容电压或者有效的电网电压的方式，一个控制周期内在箝位回路续流、零矢量续流和非零矢量续流三种模式下切换的方式，和采用电流滞环控制在两个电路回路中切换的方式。

现有的增加储能装置和修改拓扑的方法在一定程度上削弱了系统体积紧凑、功率密度高的优势，利用电机旋转惯性机械能实现穿越的方法着重于穿越策略的设计，且滞环控制效果较差，穿越期间控制量存在较大波动。

发明内容

针对上述现有技术，本发明所要解决的技术问题是，电网电压跌落后系统不具备低电压穿越能力时系统须停机运行造成运行的中断，同时电网恢复后系统校正、定位等程序也会造成延时，这在一些重要的场合会带来严重的经济损失。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、检测电网电压是否跌落，判断是否切换到穿越控制：通过对电网三相电压实时采样并计算来检测电网电压是否发生跌落，当电网电压发生跌落后，在负载为电机负载的工况下，电网电压跌落后计算电机负载下系统可稳定运行的最高转速值，若电机转速大于所述最高转速值，系统切换到穿越控制模式，否则，系统按故障前的控制模式继续运行；

步骤二、低电压穿越运行辅助电路设计：穿越期间将箝位电容作为能量转换机构，通过维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越；

步骤三、低电压穿越控制器设计：所述低电压穿越控制器的结构是，当通过步骤一切换到穿越控制时，系统由正常工作模式转换到穿越模式；以维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越，将电压环PI控制器的输出作为电机q轴电流控制器的输入参考值。

进一步讲，本发明所述的提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法，其中：

步骤一中，当电网电压跌落后，计算跌落深度h：

式中，U_RMS为采样得到的电网电压有效值，U_{RMS_N}为电网正常状态下的有效值；

电网电压跌落后计算在不同跌落深度、不同负载下，电机可稳定运行的最高转速n_max的表达式：

其中，R_s为电机定子电阻；L_s为电机定子电感；ψ_f为电机永磁磁链幅值；n为电机转速；p为电机极对数；T_L为电机负载；U_m为矩阵变换器输入相电压幅值；

采用i_d＝0矢量控制模式下，定子电流幅值I＝T_L/1.5pψ_f；

设电机在电网故障前稳态运行在转速为n r/min，负载为T_L N·m的工况下，电网电压跌落后计算T_L负载下系统可运行的最高转速值n_max，若n>n_max，系统切换到穿越控制模式，否则，系统按故障前的控制模式继续运行。

步骤二中，穿越期间电机与箝位电容之间进行能量的双向流通，在矩阵变换器系统拓扑结构箝位电路中的二极管的两端反并联一个开关器件，并且该开关器件在穿越期间始终处于导通状态。

步骤三中，所述低电压穿越控制器的设计方法包括：

穿越期间电机工作在发电机状态，电机各物理量定义的方向仍采用电动机惯例，建立电机与矩阵变换器逆变级的统一数学模型：

式中，v_d、v_q为定子电压的d、q轴分量；i_d、i_q为定子电流的d、q轴分量；C_cla为箝位电容；v_cla为箝位电容电压；R_L为箝位电容的泄能电阻；

采用“有源阻尼”的概念对电压环PI控制器的参数进行设计，定义

式中，i_q1为电压环PI控制器的输出，B_a为阻尼系数；

穿越期间控制i_d＝0，将i_q的表达式代入上述建立的电机与矩阵变换器逆变级的统一数学模型，并将极点配置到期望的闭环带宽β，得到电压

相对于q轴电流的被控对象传递函数：

被控对象传递函数结合电压环PI控制器，再通过参数整定得到电压环PI控制器的参数，至此，完成了该低电压穿越控制器的设计。

本发明提出的提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法，可应用于矩阵变换器、电机控制等领域。与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)抑制电网电压跌落期间系统过流现象的发生。

(2)穿越期间系统持续运行，电机工作在恒功率状态，且作发电机运行给箝位电容充电并维持电容电压的恒定，电机转速基本以恒定加速度在减小，且不减到零。

(3)电网电压跌落时系统不必停机运行，当电网电压恢复后，系统可以快速从非零转速、非零磁通状态下起动。

附图说明

图1是本发明控制方法的流程图；

图2是本发明控制方法的控制框图；

图3是IMC-SPMSM系统转矩-转速运行范围；

图4是穿越控制判断原理框图；

图5是穿越阶段电压闭环控制结构框图；

图6是电网跌落深度10％,电机在300r/min,0N·m工况下系统的穿越波形；

图7是电网跌落深度10％,电机在300r/min,15N·m工况下系统的穿越波形；

图8是电网跌落深度20％,电机在300r/min,0N·m工况下系统的穿越波形；

图9是电网跌落深度20％,电机在300r/min,15N·m工况下系统的穿越波形。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

本发明一种可提高矩阵变换器系统低电压穿越能力的控制方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、检测电网电压是否跌落，判断是否切换到穿越控制：

通过对电网三相电压实时采样并计算来检测电网电压是否发生跌落，当电网电压跌落后，计算跌落深度h：

式中，U_RMS为采样得到的电网电压有效值，U_{RMS_N}为电网正常状态下的有效值；

电网电压跌落后计算在不同跌落深度、不同负载下，电机可稳定运行的最高转速n_max的表达式：

其中，R_s为电机定子电阻；L_s为电机定子电感；ψ_f为电机永磁磁链幅值；n为电机转速；p为电机极对数；T_L为电机负载；U_m为矩阵变换器输入相电压幅值；

采用i_d＝0矢量控制模式下，定子电流幅值I＝T_L/1.5pψ_f。

假设电机在电网故障前稳态运行在转速为n(r/min)，负载为T_L(N·m)的工况下，电网电压跌落后计算T_L负载下系统可运行的最高转速值n_max，若n>n_max，系统切换到穿越控制模式，否则，系统按故障前的控制模式继续运行；

步骤二、设计穿越辅助电路：

穿越期间将箝位电容作为能量转换机构，通过维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越；原系统拓扑结构箝位电路中二极管只具有单向导通性，为实现电机与箝位电容之间能量的双向流通，在二极管的两端反并联一个开关器件，并且该开关器件在穿越器件始终处于导通状态；

步骤三、设计穿越控制器：

当通过步骤一切换到穿越控制时，系统由正常工作模式转换到穿越模式；以维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越，将电压环PI控制器的输出作为电机q轴电流控制器的输入参考值。

穿越期间电机工作在发电机状态，电机各物理量定义的方向仍采用电动机惯例，建立电机与矩阵变换器逆变级的统一数学模型：

式中，v_d、v_q为定子电压的d、q轴分量；i_d、i_q为定子电流的d、q轴分量；C_cla为箝位电容；v_cla为箝位电容电压；R_L为箝位电容的泄能电阻；

采用“有源阻尼”的概念对电压环PI控制器的参数进行设计，定义

式中，i_q1为电压环PI控制器的输出，B_a为阻尼系数；

穿越期间控制i_d＝0，将i_q的表达式代入上述建立的电机与矩阵变换器逆变级的统一数学模型，并将极点配置到期望的闭环带宽β，得到电压

相对于q轴电流的被控对象传递函数：

被控对象传递函数结合电压环PI控制器，再通过参数整定得到电压环PI控制器的参数，至此，完成了该低电压穿越控制器的设计。其中，参数整定方法有很多，工程上也有工程设计方法，均属于业内人员的公知常识(袁雷,沈建清,肖飞,et al.***式永磁低速同步电机非奇异终端滑模观测器设计[J].物理学报,2013,62(3):030501.)，在此不再赘述。

实施例：

本发明针对间接MC-表贴式PMSM系统(Indirect MC-surface PMSM，IMC-SPMSM)为研究对象，其控制框图如图2所示。实施方法具体包括以下步骤：

步骤一、检测电网电压是否跌落，判断是否切换到穿越控制：

SPMSM在转子磁场定向的d-q坐标系下的数学模型如下所示。

定子电压方程为

定子磁链方程为

转矩方程和运动方程为

T_e＝1.5pψ_fi_q (3)

式中，u_d、u_q为定子电压的d、q轴分量；i_d、i_q为定子电流的d、q轴分量；ψ_d、ψ_q为定子磁链的d、q轴分量；L_s为定子电感；ψ_f为永磁磁链幅值；R_s为定子电阻；p为极对数；ω_r为电机转子电角速度，ω_r＝pn×π/30，n为电机转速；T_e、T_L分别为电机电磁转矩和负载转矩；J为转动惯量。

在IMC-SPMSM系统中，当电网电压发生深度为h的跌落时，电机定子端所施加的电压应满足的约束关系为

式中，U为定子相电压幅值；U_m为IMC输入相电压幅值；

u_gd、u_gq为电网电压的d、q轴分量。

电机定子绕组通入的电流会受到IMC最大输出电流的限制，即

式中，I为定子电流幅值；I_omax为IMC最大输出电流幅值。

将式(1)和式(2)代入式(5)并求解，可以得到不同跌落深度、不同负载下电机可稳定运行的最高转速的表达式为

式中，

采用i_d＝0矢量控制模式下，定子电流幅值I＝T_L/1.5pψ_f。

采用i_d＝0矢量控制，在定子电流矢量i取不同幅值I下(I≤I_omax)，利用式(6)～式(7)可得IMC-SPMSM系统在不同电压跌落深度下四象限运行的转矩-转速工作范围，如图3所示。

利用dq变换和低通滤波的方法对电网电压是否发生跌落进行检测。当检测到电网电压出现跌落后，再通过系统原稳态工作点与电压跌落后系统转矩-转速运行范围的比较，来判断系统是否切换到LVRT控制模式，其判断原理框图如图4所示。图中，F_sag为电压跌落信号；F_RT为系统穿越控制切换信号。

步骤二、低电压穿越运行辅助电路设计

穿越期间将箝位电容作为能量转换机构，通过维持箝位电容电压恒定的方式实现穿越；原系统拓扑结构箝位电路中二极管只具有单向导通性，为实现电机与箝位电容之间能量的双向流通，在二极管的两端反并联一个开关器件S₂，并且该开关器件在穿越器件始终处于导通状态，如图2中所示。

步骤三、低电压穿越控制器设计

本发明方法通过维持箝位电容电压恒定的方法实现穿越。为设计电压环控制器，首先建立图2中逆变级和SPMSM统一数学模型。在穿越期间S₁、S₂一直处于导通状态，在建模过程中忽略其导通压降。采用开关函数的方法描述统一模型，电机采用电动机惯例，忽略功率器件损耗，通过基尔霍夫电压定律和交、直流侧功率平衡，并经过坐标变换得到逆变级和SPMSM在d-q坐标系中的统一模型为

式中，C_cla为箝位电容；v_cla为箝位电容电压；R_L为箝位电容的泄能电阻；

穿越期间为维持箝位电容电压恒定，电机工作在发电机状态，电机发出的能量消耗在R_L上，可知电机工作在恒功率状态，电机电磁功率可表示为P_em＝T_e×ω_r/p。穿越期间电机转速逐渐下降，则SPMSM电磁转矩T_e增大。由于T_e只与i_q有关，为减小穿越期间电机铜耗，采用i_d＝0控制。

穿越期间电机工作在恒功率状态，当忽略电机铜耗时，电机发出的功率P₂＝P_em，则

P₂＝1.5ψ_fi_qω_r (9)

采用“有源阻尼”的概念对电压环PI控制器的参数进行设计，定义

其中，i_q1为电压环PI控制器的输出；B_a为阻尼系数。将i_q代入统一模型式(8)可得

将式(10)的极点配置到期望的闭环带宽β，可以得到电压

相对于q轴电流的被控对象传递函数为

通过比较式(10)与式(11)，可得阻尼系数B_a＝(2/R_L-βC_cla)/3u_q。

采用传统PI调节器，设其传递函数表达式为

可以得到

由此并结合式(10)可得电压闭环控制结构框图如图5所示。

其中，

为箝位电容电压平方的参考值；K_pu和K_iu分别为电压环PI控制器的比例增益和积分系数，将电流环等效为一阶惯性环节，T_i为电流环时间常数。

通过PI参数整定，可以得到K_pu和K_iu的值。

将上述矩阵变换器系统低电压穿越控制方法已在一台6kW样机上进行实验验证。系统输入电压跌落深度为10％，电机运行在300r/min，负载分别为0N·m和15N·m情况下LVRT实验波形分别如图6-图7所示，系统输入电压跌落深度为20％，电机运行在300r/min，负载分别为0N·m和15N·m情况下LVRT实验波形分别如图8-图9所示。

从图6-图9可以看出，实验过程分为3部分，①为故障前系统稳态运行阶段，②为LVRT过渡阶段，③为电网电压恢复后系统重加速阶段。

当系统输入电压发生跌落后，通过电压检测、判断等过程，系统由正常控制模式切换到本文所提的LVRT控制策略。穿越期间电网电压跌落10％(20％)，箝位电容电压参考值在稳态值的基础上也跌落10％(20％)，由波形可以看出电压值维持在期望值附近，系统没有发生过流现象，i_d维持在0附近，i_q为负值。分析可知，此时SPMSM作发电机运行给C_clamp供电并维持v_cla的恒定。电机转速基本以恒加速度在减小，同时由式(9)可知，随着转速的降低，i_q绝对值在逐渐增加。当电网电压恢复后，电机很快从非零转速、非零磁通状态下快速起动。整个穿越过程电机一直处于受控状态，也没有过流现象的产生。可以看出本发明控制方法提高了矩阵变换器系统低电压穿越的能力。

本发明实施例中虽然只针对表贴式永磁同步电机进行说明，本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员基于本发明的启示下及所掌握的本领域的公知技术，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，诸如也能够推导出直流电机、异步电机和其他同步电机等类型的电机在矩阵变换器驱动下的低电压穿越方法，这些均属于本发明的保护之内。