用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法技术

本发明专利技术公开了一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，包括以下步骤：(1)钳住故障绕组星形结点的电位；(2)构造基本电压矢量；(3)构造辅助电压非零矢量；(4)构造辅助电压零矢量；(5)计算有用基本电压矢量的作用时间；(6)设计有用基本电压矢量的最优次序。本发明专利技术的优点在于：能使定子磁链保持圆形轨迹，能抑制定子谐波电压，从而减小转矩脉动和转速脉动，同时能充分利用直流母线电压，且硬件上容易实现，可用于高可靠性的多相发电系统、多相励磁系统、多相驱动系统。

Voltage Space Vector Pulse Width Modulation for Stator Phase-Short Faults of Multiphase Motors

The invention discloses a voltage space vector pulse width modulation method for multi-phase motor stator phase-gap fault, which includes the following steps: (1) clamping the potential of the star-shaped node of the fault winding; (2) constructing the basic voltage vector; (3) constructing the non-zero vector of the auxiliary voltage; (4) constructing the zero vector of the auxiliary voltage; (5) calculating the useful basic voltage vector. The action time of quantities; (6) Design the optimal sequence of useful basic voltage vectors. The advantages of the invention are that the stator flux can be kept in a circular trajectory, the harmonic voltage of the stator can be suppressed, the torque ripple and the speed ripple can be reduced, and the DC bus voltage can be fully utilized, which is easy to realize in hardware, and can be used in high reliability multi-phase power generation system, multi-phase excitation system and multi-phase drive system.

【技术实现步骤摘要】
用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法
本专利技术涉及电力电子与电力传动领域，尤其涉及一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法。
技术介绍
在新能源发电、特种电力驱动、精密伺服控制等场合，对电机系统的可靠性要求很高。研究与实践表明，在复杂多变的工况下，电机系统70％以上的故障会最终表现为缺相故障。在定子缺相故障状态下，三相电机的气隙磁链严重畸变，电流急剧增加，转矩急剧减小且脉动增大，导致电机无法运行；而多相电机的气隙磁链畸变较小，虽然电流也会增加，转矩也会减小且脉动增大，但是可以在降载情况下继续运行。因此与三相电机相比，多相电机的一个重大优势是“具有容错运行能力”。在定子缺相故障下，多相电机如果仍然采用正常状态下的控制方法，则气隙磁链不再是圆形，虽然可以在降载情况下继续运行，但运行性能变差，如转矩和转速的脉动增大等。由于多相电机比三相电机具有更多的相数，在电机控制上具备了更多的自由度和更大的灵活性，因此在定子缺一相甚至缺多相故障时，可以采用适当的容错控制方法，维持气隙磁链的圆形轨迹，使输出的转矩尽量平滑，保证系统继续稳定可靠地运行。在正常状态下，多相电机控制一般采用电压空间矢量脉宽调制(SVPWM，SpaceVectorPWM)，因为SVPWM的控制目标是圆形磁链，比起圆形磁动势前进了一步。然而在定子缺相故障状态下，故障相绕组的电流为零，电压却并不为零，因为尚存在感应电压，该电压不能直接控制。故障相绕组所在的星形绕组的星形结点的电位，其变化规律难以确定。因此定子缺相故障状态下能保持圆形磁链的SVPWM实现起来很困难。目前提出的很多容错控制方法不再采用SVPWM，而是采用电流滞环脉宽调制(CHBPWM，CurrentHysteresisBandPWM)。虽然CHBPWM具有精度高、响应快、易于实现等优点，但是受功率开关器件允许开关频率的限制，仅在电机堵转且在给定电流峰值处才发挥出最高开关频率，在其他情况下，器件的允许开关频率都未得到充分利用。此外，CHBPWM的控制目标是圆形磁动势，而不是圆形磁链。为此申请人进行了有益的探索和尝试，找到了解决上述问题的办法，下面将要介绍的方案便是这种背景下产生的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，该方法能使定子磁链保持圆形轨迹，能抑制定子谐波电压，从而减小转矩脉动和转速脉动，同时能充分利用直流母线电压，且硬件上容易实现。本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其包括以下步骤：1)钳住故障绕组星形结点的电位步骤；2)构造基本电压矢量步骤；3)构造辅助电压非零矢量步骤；4)构造辅助电压零矢量步骤；5)计算有用基本电压矢量的作用时间步骤；6)设计有用基本电压矢量的最优次序步骤。在本专利技术的一个优选实施例中，在所述步骤1)中，当多相电机的定子有x相绕组，所述x相绕组隶属于y套星形绕组，则所述y套星形绕组有y个星形结点，所述y个星形结点都是悬空的；当多相电机的定子有p相绕组出现缺相故障，所述p相绕组隶属于q套星形绕组，则将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点进行电压钳位。在本专利技术的一个优选实施例中，所述将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点进行电压钳位方法是将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的正极端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的负极端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的中性端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的将星形结点与独立直流电压源的输出端相连。在本专利技术的一个优选实施例中，在所述步骤2)中，所述构造基本电压矢量的具体方法是：当多相电机的定子有x相绕组，其中有p相绕组出现缺相故障，则剩余有x-p相健康绕组，在变流器作用下，剩余x-p相健康绕组的电压状态有r种情形，每一种情形对应一个列矩阵，r种情形对应r个列矩阵，根据电流约束关系、磁动势相等和功率相等原则，构造出多相电机定子缺相故障下的坐标变换矩阵；将所述r个列矩阵通过坐标变换矩阵，映射到机电能量转换子平面、非机电能量转换子空间，得到r个基本电压矢量。在本专利技术的一个优选实施例中，在所述步骤3)中，所述构造辅助电压非零矢量的方法是对于r个基本电压矢量，按构造辅助电压非零矢量优化模型构造出Z级辅助电压非零矢量；所述构造辅助电压非零矢量优化模型分为构造辅助电压非零矢量机电能量转换子平面优化模型和构造辅助电压非零矢量非机电能量转换子空间优化模型；所述构造辅助电压非零矢量机电能量转换子平面优化模型如下所述构造辅助电压非零矢量非机电能量转换子空间优化模型如下：所述构造辅助电压非零矢量优化模型中：Vh是r个基本电压矢量中的第h个基本电压矢量(h是基本电压矢量编号)；Th是第h个基本电压矢量的作用时间，是优化变量；表示r个基本电压矢量的合成结果的长度；表示r个基本电压矢量的作用时间之和；T′是非零矢量作用周期，是比开关周期更小的时间段；λ是反映非机电能量转换子空间电压大小的参变量，λ越小，则非机电能量转换子空间的电压越小，λ最小值为零。在本专利技术的一个优选实施例中，所述构造辅助电压非零矢量优化模型的的目标函数是，在机电能量转换子平面，r个基本电压矢量的合成结果的长度为最大，以提高直流母线电压利用率；所述构造辅助电压非零矢量优化模型的约束条件有三个。第一个约束条件是，r个基本电压矢量的每个作用时间为非负值；第二个约束条件是，r个基本电压矢量的作用时间之和等于非零矢量作用周期，所述非零矢量作用周期是比开关周期更小的时间段；第三个约束条件是，在非机电能量转换子空间，r个基本电压矢量的合成结果的长度等于λ，所述λ是反映非机电能量转换子空间的电压大小的参变量，λ越小，则非机电能量转换子空间的电压越小，λ最小值为零；当λ有z个值(即λ＝λ0，λ1，λ2，…，λz-1)，则可构造出z级辅助电压非零矢量，依次称作第λ0级辅助电压非零矢量，第λ1级辅助电压非零矢量，第λ2级辅助电压非零矢量，…，第λz-1级辅助电压非零矢量。在本专利技术的一个优选实施例中，在所述步骤4)中，所述构造辅助电压零矢量方法是对于z级辅助电压非零矢量，按构造辅助电压零矢量优化模型构造出z级辅助电压零矢量；所述构造辅助电压零矢量优化模型分为构造辅助电压零矢量机电能量转换子平面优化模型和构造辅助电压零矢量非机电能量转换子空间优化模型；所述构造辅助电压零矢量机电能量转换子平面优化模型如下：所述构造辅助电压零矢量非机电能量转换子空间优化模型如下：所述构造辅助电压零矢量优化模型中：Vh是z级辅助电压非零矢量中的第h个基本电压矢量(h是基本电压矢量编号)；Th是第h个基本电压矢量的作用时间，是优化变量；表示z级辅助电压非零矢量的合成结果的长度；表示z级辅助电压非零矢量的作用时间之和；T0′是零矢量作用周期，是比开关周期更小的时间段。在本专利技术的一个优选实施例中，所述构造辅助电压零矢量优化模型的目标函数是，在非机电能量转换子空间，z级辅助电压非零矢量的合成结果的长度为最小，以减小定子谐波电压；所述构造辅助电压零矢量优化模型的约束条件有三个：第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)钳住故障绕组星形结点的电位步骤；2)构造基本电压矢量步骤；3)构造辅助电压非零矢量步骤；4)构造辅助电压零矢量步骤；5)计算有用基本电压矢量的作用时间步骤；6)设计有用基本电压矢量的最优次序步骤。

【技术特征摘要】
1.一种用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，包括以下步骤：1)钳住故障绕组星形结点的电位步骤；2)构造基本电压矢量步骤；3)构造辅助电压非零矢量步骤；4)构造辅助电压零矢量步骤；5)计算有用基本电压矢量的作用时间步骤；6)设计有用基本电压矢量的最优次序步骤。2.如权利要求1所述的用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，在所述步骤1)中，当多相电机的定子有x相绕组，所述x相绕组隶属于y套星形绕组，则所述y套星形绕组有y个星形结点，所述y个星形结点都是悬空的；当多相电机的定子有p相绕组出现缺相故障，所述p相绕组隶属于q套星形绕组，则将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点进行电压钳位。3.如权利要求2所述的用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点进行电压钳位方法是将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的正极端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的负极端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的星形结点与变流器直流母线的中性端相连或将所述q套星形绕组的q个悬空的将星形结点与独立直流电压源的输出端相连。4.如权利要求1所述的用于多相电机定子断相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，在所述步骤2)中，所述构造基本电压矢量的具体方法是：当多相电机的定子有x相绕组，其中有p相绕组出现缺相故障，则剩余有x-p相健康绕组，在变流器作用下，剩余x-p相健康绕组的电压状态有r种情形，每一种情形对应一个列矩阵，r种情形对应r个列矩阵，根据电流约束关系、磁动势相等和功率相等原则，构造出多相电机定子缺相故障下的坐标变换矩阵；将所述r个列矩阵通过坐标变换矩阵，映射到机电能量转换子平面、非机电能量转换子空间，得到r个基本电压矢量。5.如权利要求4所述的用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述构造辅助电压非零矢量的方法是对于r个基本电压矢量，按构造辅助电压非零矢量优化模型构造出Z级辅助电压非零矢量；所述构造辅助电压非零矢量优化模型分为构造辅助电压非零矢量机电能量转换子平面优化模型和构造辅助电压非零矢量非机电能量转换子空间优化模型；所述构造辅助电压非零矢量机电能量转换子平面优化模型如下所述构造辅助电压非零矢量非机电能量转换子空间优化模型如下：所述构造辅助电压非零矢量优化模型中：Vh是r个基本电压矢量中的第h个基本电压矢量(h是基本电压矢量编号)；Th是第h个基本电压矢量的作用时间，是优化变量；表示r个基本电压矢量的合成结果的长度；表示r个基本电压矢量的作用时间之和；T′是非零矢量作用周期，是比开关周期更小的时间段；λ是反映非机电能量转换子空间电压大小的参变量，λ越小，则非机电能量转换子空间的电压越小，λ最小值为零。6.如权利要求5所述的用于多相电机定子缺相故障的电压空间矢量脉宽调制方法，其特征在于，所述构造辅助电压非零矢量优化模型的的目标函数是，在机电能量转换子平面，r个基本电压矢量的合成结果的长度为最大，以提高直流母线电压利用率；所述构造辅助电压非零矢量优化模型的约束条件有三个。第一个约束条件是，r个基本电压矢量的每个作用时间为非负值；第二个约束条件是，r个基本电压矢量的作用时间之和等于非零矢量作用周期，所述非零矢量作用周期是比开关周期更小的时间段；第三个约束条件是，在非机电能量转换子空间，r个基本电压矢量的合成结果的长度等于λ，所述λ是反映非机电能量转换子空间的电压大小的参变量，λ越小，则非机电能量转换子空间的电压越小，λ最小值为零；当λ有z个值(即λ＝λ0，λ1，λ2，…，λz-1)，则可构造出z级辅助电压非零矢量，依次称作第λ0级辅助电压非零矢量，第λ1级辅...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄守道，郑剑，吕铭晟，荣飞，罗德荣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43