2024年第51卷第12期文章目次
2024, 51(12):1-12.
DOI: 10.12177/emca.2024.133
摘要:
【目的】由第一代和第二代半导体材料构成的功率器件,各方面性能都已经达到自身极限,在更为复杂的电路拓扑中难以应用。第三代新型半导体材料碳化硅(SiC)逐步成为研究焦点,相应的碳化硅器件也成为研究前沿。相比于传统硅(Si)基器件,碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)以其更为优异的特性在高压、高频和高功率密度领域广泛应用。受到载流能力限制,往往需要多个器件并联使用。不成熟的制作工艺和不对称的电路布局,会导致器件自身参数和外部电路参数存在差异,产生不平衡电流问题。针对该问题,本文提出一种均流控制策略。【方法】本文首先分析和总结了并联均流影响因素,确定了各个参数的影响程度。并以器件自身开通和关断特性为基础,通过理论公式推导,总结了电流变化规律。其次,设计了对应的电流检测电路,准确获取电流差异情况。最后,提出了一种调节驱动电阻的均流控制策略,通过调节多级驱动电阻,逐步调节不平衡电流。【结果】仿真结果验证了所提控制策略的有效性,电流不平衡度显著减小。【结论】结果表明,设置合理的驱动电阻,所提出的控制策略能有效实现双管并联均流。
【目的】由第一代和第二代半导体材料构成的功率器件,各方面性能都已经达到自身极限,在更为复杂的电路拓扑中难以应用。第三代新型半导体材料碳化硅(SiC)逐步成为研究焦点,相应的碳化硅器件也成为研究前沿。相比于传统硅(Si)基器件,碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)以其更为优异的特性在高压、高频和高功率密度领域广泛应用。受到载流能力限制,往往需要多个器件并联使用。不成熟的制作工艺和不对称的电路布局,会导致器件自身参数和外部电路参数存在差异,产生不平衡电流问题。针对该问题,本文提出一种均流控制策略。【方法】本文首先分析和总结了并联均流影响因素,确定了各个参数的影响程度。并以器件自身开通和关断特性为基础,通过理论公式推导,总结了电流变化规律。其次,设计了对应的电流检测电路,准确获取电流差异情况。最后,提出了一种调节驱动电阻的均流控制策略,通过调节多级驱动电阻,逐步调节不平衡电流。【结果】仿真结果验证了所提控制策略的有效性,电流不平衡度显著减小。【结论】结果表明,设置合理的驱动电阻,所提出的控制策略能有效实现双管并联均流。
2024, 51(12):13-25.
DOI: 10.12177/emca.2024.142
摘要:
【目的】在双碳目标提出以来新能源迅速发展,逆变器在电力系统中的应用越来越广泛。滞环电流控制具有响应速度快、控制简单等优点,目前已被广泛用于逆变器控制当中,但传统滞环电流控制对参考电压矢量扇区准确度要求高,在扇区切换时容易出现扇区判断失误而导致误差电流失控的现象。为此提出一种基于固定开关状态切换的滞环电流控制策略。【方法】三电平滞环电流控制方法中扇区划分有多种方法,通过将三电平逆变器滞环控制中的多种扇区划分方式进行结合,有效避免了传统滞环控制在扇区边界既要更新扇区又要更新控制策略的缺点,允许参考电压矢量扇区判断存在误差的同时保证误差电流在整个周期内受控。定环宽控制下开关频率不定,开关损耗增大,因此对该策略下的定频控制策略进行研究,通过获取上一个周期的误差电流数据,更新当前周期的环宽以实现定频化,并给出了下一个周期滞环宽度的计算式。【结果】最后通过Matlab/Simulink进行仿真验证,仿真结果表明采用本文所提方法,在参考电压矢量处于扇区切换的边界时,依然能够保证误差电流在整个周期中的受控,开关频率也能够保持在20 kHz左右。【结论】本文所提的基于固定开关状态切换的定频滞环电流控制策略符合理论结果,具有准确性。
【目的】在双碳目标提出以来新能源迅速发展,逆变器在电力系统中的应用越来越广泛。滞环电流控制具有响应速度快、控制简单等优点,目前已被广泛用于逆变器控制当中,但传统滞环电流控制对参考电压矢量扇区准确度要求高,在扇区切换时容易出现扇区判断失误而导致误差电流失控的现象。为此提出一种基于固定开关状态切换的滞环电流控制策略。【方法】三电平滞环电流控制方法中扇区划分有多种方法,通过将三电平逆变器滞环控制中的多种扇区划分方式进行结合,有效避免了传统滞环控制在扇区边界既要更新扇区又要更新控制策略的缺点,允许参考电压矢量扇区判断存在误差的同时保证误差电流在整个周期内受控。定环宽控制下开关频率不定,开关损耗增大,因此对该策略下的定频控制策略进行研究,通过获取上一个周期的误差电流数据,更新当前周期的环宽以实现定频化,并给出了下一个周期滞环宽度的计算式。【结果】最后通过Matlab/Simulink进行仿真验证,仿真结果表明采用本文所提方法,在参考电压矢量处于扇区切换的边界时,依然能够保证误差电流在整个周期中的受控,开关频率也能够保持在20 kHz左右。【结论】本文所提的基于固定开关状态切换的定频滞环电流控制策略符合理论结果,具有准确性。
2024, 51(12):26-38.
DOI: 10.12177/emca.2024.137
摘要:
【目的】随着新能源在电力系统中的占比不断提高,构网型变流器由于具有较好的电压主动支撑能力而取得广泛的关注与研究。但是在偏远的低压配电网下,配电网的线路阻感比较大,会引起构网型变流器的功率耦合,进而影响变流器基波电压支撑能力以及功率传输能力。本文针对配电网下考虑阻感比变化的构网型变流器功率耦合问题展开研究,提出了一种采用前馈解耦的控制策略。【方法】通过在解耦通道上增加低通滤波器(LPF)的方法提高系统鲁棒性,并通过小信号法分析了不同LPF带宽对系统稳定性的影响。【结果】在采用前馈解耦后,有功功率控制回路和无功功率控制回路之间的耦合大大降低,解决了配电网阻感比较大导致的功率耦合问题,最后仿真结果验证了所提方法的可行性。【结论】本文所提方法能够实现良好的解耦效果,为构网型变流器中的功率传输提供了一种高鲁棒性的控制方案。
【目的】随着新能源在电力系统中的占比不断提高,构网型变流器由于具有较好的电压主动支撑能力而取得广泛的关注与研究。但是在偏远的低压配电网下,配电网的线路阻感比较大,会引起构网型变流器的功率耦合,进而影响变流器基波电压支撑能力以及功率传输能力。本文针对配电网下考虑阻感比变化的构网型变流器功率耦合问题展开研究,提出了一种采用前馈解耦的控制策略。【方法】通过在解耦通道上增加低通滤波器(LPF)的方法提高系统鲁棒性,并通过小信号法分析了不同LPF带宽对系统稳定性的影响。【结果】在采用前馈解耦后,有功功率控制回路和无功功率控制回路之间的耦合大大降低,解决了配电网阻感比较大导致的功率耦合问题,最后仿真结果验证了所提方法的可行性。【结论】本文所提方法能够实现良好的解耦效果,为构网型变流器中的功率传输提供了一种高鲁棒性的控制方案。
2024, 51(12):39-50.
DOI: 10.12177/emca.2024.141
摘要:
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)模型预测电流控制(MPCC)参数依赖性强的问题,建立PMSM单步和两步无模型预测电流控制(MFPCC)系统。【方法】基于超局部模型实现PMSM单步和两步MFPCC,采用微分代数法确定一阶和二阶超局部模型中未知部分的估计值,分析超局部模型的窗口序列长度对控制性能的影响及参数变化下基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC的参数鲁棒性,并进行实时性试验验证。【结果】仿真与实时性试验结果表明:一阶超局部模型的窗口序列长度对控制性能影响较大,随着窗口序列长度的增大,控制性能提升,并趋于饱和。二阶超局部模型的窗口序列长度对性能影响较小。参数变化下,基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC具有较好的参数鲁棒性。随着窗口序列长度的增大,超局部模型计算耗时轻微增大,但对整体实时性影响较小。【结论】基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC可行,参数鲁棒性强。基于超局部模型的单步MFPCC和传统单步MPCC的实时性基本相当。基于超局部模型的两步MFPCC的实时性略优于传统两步MPCC。
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)模型预测电流控制(MPCC)参数依赖性强的问题,建立PMSM单步和两步无模型预测电流控制(MFPCC)系统。【方法】基于超局部模型实现PMSM单步和两步MFPCC,采用微分代数法确定一阶和二阶超局部模型中未知部分的估计值,分析超局部模型的窗口序列长度对控制性能的影响及参数变化下基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC的参数鲁棒性,并进行实时性试验验证。【结果】仿真与实时性试验结果表明:一阶超局部模型的窗口序列长度对控制性能影响较大,随着窗口序列长度的增大,控制性能提升,并趋于饱和。二阶超局部模型的窗口序列长度对性能影响较小。参数变化下,基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC具有较好的参数鲁棒性。随着窗口序列长度的增大,超局部模型计算耗时轻微增大,但对整体实时性影响较小。【结论】基于超局部模型的PMSM单步和两步MFPCC可行,参数鲁棒性强。基于超局部模型的单步MFPCC和传统单步MPCC的实时性基本相当。基于超局部模型的两步MFPCC的实时性略优于传统两步MPCC。
2024, 51(12):51-59.
DOI: 10.12177/emca.2024.129
摘要:
【目的】针对基于传统扩张状态观测器(ESO)的轨迹观测器在永磁同步电机(PMSM)位置和速度观测中所存在的响应速度慢、观测精度低和抗干扰能力差的问题,提出一种基于自适应加速度补偿的改进ESO轨迹观测器。【方法】在传统扩张状态观测器中引入自适应加速度前馈补偿,可直接根据位置观测误差在线自适应调节前馈加速度,进而提高强扰动、强暂态运行条件下轨迹观测的动态精度及响应速度。【结果】仿真结果表明,该改进型ESO轨迹观测器在设定的强扰动、强暂态工况下,与采用传统ESO的观测方案相比,位置观测误差减小了61.53%,角速度观测误差减小了58.6%。【结论】本文所提改进ESO轨迹观测器有效提高了轨迹观测的响应速度、动态精度和抗干扰性,观测性能好,具备较高的工程应用价值。
【目的】针对基于传统扩张状态观测器(ESO)的轨迹观测器在永磁同步电机(PMSM)位置和速度观测中所存在的响应速度慢、观测精度低和抗干扰能力差的问题,提出一种基于自适应加速度补偿的改进ESO轨迹观测器。【方法】在传统扩张状态观测器中引入自适应加速度前馈补偿,可直接根据位置观测误差在线自适应调节前馈加速度,进而提高强扰动、强暂态运行条件下轨迹观测的动态精度及响应速度。【结果】仿真结果表明,该改进型ESO轨迹观测器在设定的强扰动、强暂态工况下,与采用传统ESO的观测方案相比,位置观测误差减小了61.53%,角速度观测误差减小了58.6%。【结论】本文所提改进ESO轨迹观测器有效提高了轨迹观测的响应速度、动态精度和抗干扰性,观测性能好,具备较高的工程应用价值。
2024, 51(12):60-70.
DOI: 10.12177/emca.2024.138
摘要:
【目的】双碳目标下,燃煤机组正由长期带稳定负荷运行转为灵活性运行,深度调峰能力是衡量燃煤机组灵活性运行的一项重要指标。但深度调峰运行会使得发电机热点温度快速变化,导致绕组变形、绝缘磨损、脱壳及槽楔松动等故障。本文针对深度调峰工况下发电机定子端部运行状态展开研究。【方法】基于COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了电-磁-力多物理场耦合的定子绕组本体模型,分析了快速变负荷与超低负荷两种深度调峰工况下的线棒与槽楔振动位移情况。进一步地,为了加快发电机适应深度调峰运行,提出了两种定子端部结构优化方案。【结果】仿真结果表明,当负荷以5%/min速率变化时,直线段线棒、槽楔和出槽口线棒位移相比于优化前额定工况下的振动幅度分别降低了21.19%、99.7%和59.05%。当发电机处于30%运行工况下,其位移分别降低了72.46%、99.997%和53.85%。【结论】发电机结构优化后处于极端快速变负荷工况下,直线段线棒、槽楔和出槽口线棒位移幅度显著降低,验证了优化结构的有效性。
【目的】双碳目标下,燃煤机组正由长期带稳定负荷运行转为灵活性运行,深度调峰能力是衡量燃煤机组灵活性运行的一项重要指标。但深度调峰运行会使得发电机热点温度快速变化,导致绕组变形、绝缘磨损、脱壳及槽楔松动等故障。本文针对深度调峰工况下发电机定子端部运行状态展开研究。【方法】基于COMSOL Multiphysics有限元分析软件,建立了电-磁-力多物理场耦合的定子绕组本体模型,分析了快速变负荷与超低负荷两种深度调峰工况下的线棒与槽楔振动位移情况。进一步地,为了加快发电机适应深度调峰运行,提出了两种定子端部结构优化方案。【结果】仿真结果表明,当负荷以5%/min速率变化时,直线段线棒、槽楔和出槽口线棒位移相比于优化前额定工况下的振动幅度分别降低了21.19%、99.7%和59.05%。当发电机处于30%运行工况下,其位移分别降低了72.46%、99.997%和53.85%。【结论】发电机结构优化后处于极端快速变负荷工况下,直线段线棒、槽楔和出槽口线棒位移幅度显著降低,验证了优化结构的有效性。
2024, 51(12):71-80.
DOI: 10.12177/emca.2024.131
摘要:
【目的】针对元启发式算法在永磁同步电机(PMSM)参数辨识过程中易陷入局部最优的问题,提出一种基于Tent混沌映射和非线性动态自适应权重的改进蜘蛛猴优化(SMO)算法,实现了PMSM内部参数的准确辨识。【方法】通过在算法初始化阶段引入Tent混沌映射,增加了前期搜寻到最优解的概率。在局部领导者阶段引入动态自适应权重,根据当前迭代次数下种群适应度值来满足下一世代种群对于全局探索和局部寻优的需求。【结果】仿真结果显示,基于Tent混沌映射和非线性动态自适应权重的改进SMO在辨识过程中的收敛速度和辨识精度均有所提升,且误差控制在0.5%左右。【结论】本文提出的改进SMO具有更快的识别速度、更高的识别精度和良好的收敛特性。
【目的】针对元启发式算法在永磁同步电机(PMSM)参数辨识过程中易陷入局部最优的问题,提出一种基于Tent混沌映射和非线性动态自适应权重的改进蜘蛛猴优化(SMO)算法,实现了PMSM内部参数的准确辨识。【方法】通过在算法初始化阶段引入Tent混沌映射,增加了前期搜寻到最优解的概率。在局部领导者阶段引入动态自适应权重,根据当前迭代次数下种群适应度值来满足下一世代种群对于全局探索和局部寻优的需求。【结果】仿真结果显示,基于Tent混沌映射和非线性动态自适应权重的改进SMO在辨识过程中的收敛速度和辨识精度均有所提升,且误差控制在0.5%左右。【结论】本文提出的改进SMO具有更快的识别速度、更高的识别精度和良好的收敛特性。
2024, 51(12):81-92.
DOI: 10.12177/emca.2024.139
摘要:
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)调速系统中因电机参数变化以及外部扰动造成控制精度降低等问题,本文研究了一种基于自适应增益的PMSM转速环无模型滑模控制策略。【方法】构建PMSM在内部参数变化以及受到负载扰动后的数学模型;选用自适应增益幂次趋近律,并结合无模型控制思想设计含有扰动项的无模型滑模控制器;使用新型的自适应增益超螺旋滑模观测器观测电机总扰动。【结果】借助Matlab/Simulink软件以及dSPACE平台进行仿真与试验对比,结果表明:在本文研究方法下,PMSM系统动态响应时间降低,转速波动与系统抖振降低,系统抗扰性、稳定性均有提升。【结论】本文所提方法能够有效提高PMSM转速环的控制精度、增强系统动态响应能力、抑制抖振并增强鲁棒性。
【目的】为解决永磁同步电机(PMSM)调速系统中因电机参数变化以及外部扰动造成控制精度降低等问题,本文研究了一种基于自适应增益的PMSM转速环无模型滑模控制策略。【方法】构建PMSM在内部参数变化以及受到负载扰动后的数学模型;选用自适应增益幂次趋近律,并结合无模型控制思想设计含有扰动项的无模型滑模控制器;使用新型的自适应增益超螺旋滑模观测器观测电机总扰动。【结果】借助Matlab/Simulink软件以及dSPACE平台进行仿真与试验对比,结果表明:在本文研究方法下,PMSM系统动态响应时间降低,转速波动与系统抖振降低,系统抗扰性、稳定性均有提升。【结论】本文所提方法能够有效提高PMSM转速环的控制精度、增强系统动态响应能力、抑制抖振并增强鲁棒性。
2024, 51(12):93-102.
DOI: 10.12177/emca.2024.130
摘要:
【目的】分数槽集中绕组(FSCW)具备高转矩密度、低铜耗的优点,但其丰富的谐波磁场、占比较高的低次谐波会产生转矩脉动,影响电机稳定性。本文以FSCW感应电机为研究对象进行研究。【方法】首先,基于转子初始位置,推导气隙各次谐波磁密表达式,定性分析各次谐波磁密对总转矩的影响,应用麦克斯韦变式计算电机电磁转矩。其次,通过数学解析和有限元仿真,分析了转子初始位置对气隙各次谐波磁密和电机电磁转矩的影响。最后,进行样机堵转试验。【结果】根据理论、仿真和试验验证了FSCW感应电机气隙磁密和电磁转矩理论分析的正确性。【结论】研究发现,电机在不同转子初始位置下启动可以获得不同的电磁转矩。
【目的】分数槽集中绕组(FSCW)具备高转矩密度、低铜耗的优点,但其丰富的谐波磁场、占比较高的低次谐波会产生转矩脉动,影响电机稳定性。本文以FSCW感应电机为研究对象进行研究。【方法】首先,基于转子初始位置,推导气隙各次谐波磁密表达式,定性分析各次谐波磁密对总转矩的影响,应用麦克斯韦变式计算电机电磁转矩。其次,通过数学解析和有限元仿真,分析了转子初始位置对气隙各次谐波磁密和电机电磁转矩的影响。最后,进行样机堵转试验。【结果】根据理论、仿真和试验验证了FSCW感应电机气隙磁密和电磁转矩理论分析的正确性。【结论】研究发现,电机在不同转子初始位置下启动可以获得不同的电磁转矩。
2024, 51(12):103-112.
DOI: 10.12177/emca.2024.135
摘要:
【目的】永磁发电机气隙磁场不可调节,导致输出电压调节范围较小。为实现气隙磁场可调节,文章研究了一种切向聚磁型并联结构混合励磁直流发电机。【方法】搭建Maxwell 2D与Simplorer场路耦合模型,采用有限元仿真了其空载特性与空载气隙磁密,讨论了其滤波电路中相关元件的参数选取,计算了其外特性,分析了电枢反应气隙磁密与调整特性。【结果】仿真结果表明,外特性负载一定时,励磁电流从-12 A到0 A,端电压增加了3.02 V;励磁电流从0 A到12 A,端电压增加了24.66 V。电枢反应工况下,气隙磁密基波幅值、5P、7P谐波幅值分别降低了0.05 T、0.02 T、0.01 T,3P、9P谐波幅值升高了0.09 T、0.03 T,气隙磁密曲线呈现一半加强一半削弱趋势。【结论】空载特性反映了对该电机施加正励磁的效果优于负励磁,适合低速、大转矩场合,转速越高,输出电压越高。外特性曲线反映了在负励磁电流下,发电机相电压有效值变化较小;在正励磁电流下,发电机相电压有效值变化很大。调整特性中,若使得发电机端电压保持不变,在增加负载电流的同时须增加励磁电流。
【目的】永磁发电机气隙磁场不可调节,导致输出电压调节范围较小。为实现气隙磁场可调节,文章研究了一种切向聚磁型并联结构混合励磁直流发电机。【方法】搭建Maxwell 2D与Simplorer场路耦合模型,采用有限元仿真了其空载特性与空载气隙磁密,讨论了其滤波电路中相关元件的参数选取,计算了其外特性,分析了电枢反应气隙磁密与调整特性。【结果】仿真结果表明,外特性负载一定时,励磁电流从-12 A到0 A,端电压增加了3.02 V;励磁电流从0 A到12 A,端电压增加了24.66 V。电枢反应工况下,气隙磁密基波幅值、5P、7P谐波幅值分别降低了0.05 T、0.02 T、0.01 T,3P、9P谐波幅值升高了0.09 T、0.03 T,气隙磁密曲线呈现一半加强一半削弱趋势。【结论】空载特性反映了对该电机施加正励磁的效果优于负励磁,适合低速、大转矩场合,转速越高,输出电压越高。外特性曲线反映了在负励磁电流下,发电机相电压有效值变化较小;在正励磁电流下,发电机相电压有效值变化很大。调整特性中,若使得发电机端电压保持不变,在增加负载电流的同时须增加励磁电流。
《电机与控制应用》
月刊，1959年创刊
- 主管单位：上海市经济和信息化委员会
- 主办单位：上海电器科学研究所（集团）有限公司
- 刊号：ISSN 1673-6540
- CN 31-1959/TM
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