考虑零序电流抑制的开绕组永磁同步电机断相故障下统一调制策略

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2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

研究电机相绕组断路下的容错控制对于提升系统的可靠性至关重要，但传统的共直流母线开绕组永磁同步电机（OW-PMSM）系统中的零序电流（ZSC）抑制策略在绕组断路故障下均不再适用。

基于此，中国矿业大学电气与动力工程学院、淮阴师范学院物理与电子电气工程学院、徐州工程学院机电工程学院、浙江大学电气工程学院的研究人员吕康飞、董新伟、刘丽丽、胡伟、年珩，在2020年第11期《电工技术学报》上撰文，提出了一种共直流母线OW-PMSM系统在绕组断相故障下的控制策略。

通过建立同步坐标系下电流分量与静止坐标系下电流分量及零序电流之间的数学模型，分析同步坐标系下电流分量中的二倍频及四倍频分量与ZSC的关系，提出在同步坐标系下采用比例积分谐振控制器抑制ZSC的方法。此外，根据绕组断相故障下OW-PMSM系统电压矢量的分布规律，提出一种利用一组互相垂直的电压矢量进行统一调制来产生参考电压矢量的方案。因此，构建OW-PMSM实验平台，对提出的断相故障下共直流母线OW-PMSM控制策略进行实验验证。

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）因其结构简单可靠、功率密度大、控制精度高等优势，在工业、交通及军事等领域得到广泛应用。在传统PMSM系统中，电机是通过单一逆变器进行供电，但受限于开关器件的耐压等级，PMSM在大功率场合下的应用受到了限制。

为此相关学者提出了将开绕组结构应用于PMSM的思路，即通过将传统PMSM的定子绕组中性点打开并额外接入一个逆变器，使得电机通过两个逆变器同时进行供电，称为开绕组永磁同步电机（Open-Winding PMSM, OW-PMSM）。因此，在相同功率等级的开关器件下，OW-PMSM额定功率可以增加一倍。此外，两个逆变器供电使得OW-PMSM系统呈现出多电平调制特性，且具备了较强的容错运行能力。

根据OW-PMSM系统中电机两侧的逆变器是否采用同一个电压源进行供电，可以将其分为隔离直流母线系统与共直流母线系统，两种结构分别如图1a和图1 b所示。与图1a所示隔离母线系统相比，图1b中的共直流母线系统仅需一个电压源，可以有效降低系统的成本和体积，是当前的研究热点。

图1  开绕组电机系统两种拓扑结构

但是这种系统中存在零序电流（Zero-Sequence Current, ZSC），会造成转矩脉动和额外损耗，影响OW-PMSM系统运行性能。因此，抑制ZSC已经成为共直流母线OW-PMSM系统中的一个热点研究问题。

传统PMSM结构在出现断相故障时，必须对其结构进行改进才可以实现容错运行。基于此，中国矿业大学、淮阴师范学院的研究人员，提出了断相故障下共直流母线OW-PMSM系统的控制策略。

图2  绕组断相下OW-PMSM系统控制框图

在OW-PMSM系统正常状态下，ZSC可以通过对三相定子绕组电流求和取平均的方式得到。但这种ZSC的获取方法在相绕组断相故障下不再适用。考虑到断相故障下剩余两相电流的相位关系，研究人员通过建立静止坐标系下电流分量、同步轴系下电流分量及ZSC之间的数学模型，深入分析同步轴系下二倍频及四倍频电流分量与ZSC的关联。进而设计了基于比例积分谐振（Proportional Integral Resonance, PIR）控制的OW-PMSM系统在断相故障下的ZSC抑制方案。

此外，根据断相故障下OW-PMSM系统电压矢量分布的特点，提出了一种通过两个互相垂直的非零电压矢量来调制参考电压矢量的方法。最后在实验平台上对本文提出的共直流母线OW-PMSM系统在断相故障下的ZSC抑制策略进行了验证。

图3  实验平台

研究人员最后得出以下结论：

1）断相故障下由于原有的三相电流平衡关系被打破，导致同步轴系下OW-PMSM电流分量中含有较大的二倍频分量及四倍频分量，造成这些谐波分量的主要有a、b相电流的相位差及ZSC。

2）针对同步轴系中电流谐波分量的分析结果，设计了基于PIR控制的ZSC抑制方案，该方案可以对同步轴系下电流中的二倍频及四倍频分量进行有效的控制，进而实现对ZSC的抑制。

3）根据断相故障下OW-PMSM系统电压矢量分布的特点，提出了一种基于正交电压矢量调制合成参考电压的统一调制法，可以根据参考电压的大小和极性判别直接生成调制脉冲序列，从而简化了断相故障下共直流母线OW-PMSM系统调制的复杂性。

以上研究成果发表在2020年第11期《电工技术学报》，论文标题为“考虑零序电流抑制的开绕组永磁同步电机断相故障下统一调制策略”，作者为吕康飞、董新伟、刘丽丽、胡伟、年珩。