开绕组电机系统拓扑及控制技术研究综述

浙江大学电气工程学院的研究人员孙丹、林斌、周文志,在2017年第期《电工技术学报》上撰文,开绕组电机系统是将常规电机的绕组中性点打开,两端各串接一个变换器而形成的一种双端供电的新型电机系统拓扑结构。

浙江大学电气工程学院的研究人员孙丹、林斌、周文志,在2017年第期《电工技术学报》上撰文,开绕组电机系统是将常规电机的绕组中性点打开,两端各串接一个变换器而形成的一种双端供电的新型电机系统拓扑结构。

开绕组电机系统具有输出功率高、供电模式和电压矢量调制方式多样、控制灵活、冗余性和容错性强等优异特性,在高功率、大容量、宽运行范围场合具有广阔的应用前景。

通过对开绕组电机系统在国内外的研究和发展现状进行了分析和总结,介绍了开绕组电机系统的多种拓扑结构及其多电平特性,对开绕组电机系统的控制技术进行了全面综述,总结了开绕组电机系统的特性,讨论了其未来的发展趋势。

全球范围的环境污染与能源危机极大地促进了新型电力牵引技术和多种可再生能源发电产业的蓬勃发展。对于以电机为控制对象的电力传动设备和风力发电机组的运行效率、控制性能、运行范围和可靠性等也有了更高的要求。提高电机系统的上述性能,也是不同产业领域所面临的共性问题,而先进的电机系统拓扑结构及高性能控制策略又是其控制系统方案确立和研发成功的关键。

经过多年发展,传统的电机理论与控制技术已逐渐成熟,但其性能也越来越无法满足日益提高的现代工业、国防等飞速发展的需求,新型电机驱动系统拓扑结构和控制策略陆续出现。

作为近年来开始广泛研究的新型电机系统,开绕组电机(openwindingelectricmachine,owem)系统通常是在如图1a所示的单变换器驱动的传统电机控制系统基础上,不改变原电机的本体电磁设计与机械结构,仅将其绕组中性点打开并在绕组另一端串接变换器而成,图1b所示为双变换器供电的三相owem系统的基本拓扑结构[1]。

图1不同拓扑结构的电机系统

owem系统早期主要针对单个电力电子器件存在功率定额的限制,通过采取在定子绕组两端串联较小功率变换器的方式来获得更大的系统输出功率和更多电平的供电效果,以满足大功率应用场合的需求[1-3]。通常两变换器均由直流源供电,控制方法也与单变换器驱动电机的控制方法类似[4,5]。

近年来由于owem系统在多种应用中有效特征的凸显,研究热潮进一步兴起。除了大功率场合,还可利用两变换器可独立控制的灵活性,开展其在电力牵引及可再生能源发电等场合中的有效应用。

随着研究的深入,owem系统结构中所呈现出的变换器类型及供电电源模式选取的多样性[2]、两变换器可独立或统一控制的灵活性[6]、可设计成多相运行的高可靠性[7]、拓扑结构的高冗余性和容错性[8]等优势特征和潜力被不断挖掘,其在不同领域的应用研究正在受到国内外学术界和工业界越来越多的关注。

本文在对owem系统国内外研究现状进行总结归纳的基础上,首先介绍了owem系统的拓扑结构及其多电平特性。然后针对不同目标对owem的几种主要控制技术进行了详细论述,包括独立和协调控制技术、串联补偿技术、脉宽调制技术、电机控制技术和容错技术,全面总结了双变换器owem系统当前的研究热点和关键技术。最后总结了owem系统的特性,并讨论了未来的发展趋势,期望为owem系统的深入研究和工业化应用提供有效的理论依据和发展方向。

1owem系统的典型拓扑结构

owem系统具有多种拓扑结构形式,主要源于所采用的电机、变换器及电源类型的多样性。owem系统可采用异步或同步等不同电机类型,可选用三相或多相电机,可运行于电动、发电状态或作为开绕组变压器使用。

根据定子绕组两端供电方式的不同,owem系统拓扑结构可分为几种典型类型,且均具多电平特性。而根据owem系统所串接变换器的类型和控制方式的不同,其拓扑结构也可进行灵活的分类。

1.1基于不同供电方式的拓扑结构类型

根据定子绕组两端供电方式的不同,可将owem系统拓扑结构分为单电源、双独立电源和电源电容混合供电三种典型的拓扑结构,如图2所示。

图2基于不同供电方式的典型拓扑结构

owem系统最早采用如图2a所示的单电源同时为两变换器供电的结构[3],优点是仅需一个供电电源。但显然此结构存在零序电流通路,电机相绕组中将产生共模电压和零序电流,增加电机损耗,降低系统性能,因此限制了其应用。当有条件提供两个独立电源时,owem系统中两变换器可分别由两隔离直流电源独立供电[6],如图2b所示。

由于两电源相互隔离,定子绕组中无零序电流回路,即使在电压调制过程中可能产生共模电压,也不会出现零序电流,但双电源的使用增加了系统成本。在仅能提供单电源的场合,也可采用owem系统一侧变换器使用电源供电,另一侧采用仅串接大电容的供电形式[9],如图2c所示。

该结构仅使用一个电源,可利用电容侧变换器提供无功功率,抬升owem系统端部电压,增强系统运行性能。同时此结构也不存在图2a结构中固有的零序电流问题,因此在电源电压有限的使用场合中备受关注。

1.2基于不同变换器和控制方式的拓扑结构类型

根据owem系统绕组两端所接变换器类型及变换器控制方式的不同,也可将owem系统分为几种典型拓扑结构[2]。其中最常见的是图

3a所示的电压源型双变换器的组合。例如,在控制中的给定指令为电流时,也可采用电流源型混合双变换器组合,如图3b所示。

为提高电压的电平数,减小谐波含量,可选用如图3c所示的两/三电平或更多电平的变换器组合。根据控制方式的不同,如为了在降低开关频率的同时保持输出电流波形良好,可采用高频和低频变换器组合

,如图

3d所示,或基波和谐波变换器组合形式如图3e所示。

若无需能量双向流动,可采用全控器件和半控器件相组合如图3f所示。也可将电机绕组通过交交变换器与电网相连或者直接与用户相连如图3g和图3h所示形成所需的拓扑结构。owem系统不同的变换器组合形式可满足不同场合的应用需求,拓扑结构的多样性也拓宽了其应用范围并方便多种控制方式的实现。

图3基于不同变换器组合和控制方式的典型系统拓扑

2owem系统的多电平特性

owem系统最典型的拓扑结构是两变换器双端供电的模式,造就了其多电平的供电效果。在常规两电平变换器供电的电机系统中,有如图4a所示的8个基本电压矢量(6个有效矢量和2个零矢量)。而由两个两电平变换器进行双端供电的owem系统,则可输出64个基本电压矢量。当两变换器直流母线的供电电压幅值相等时,共有如图4b所示的19个互不相同的有效电压矢量,此时相当于三电平变换器的供电效果[10]。

与常规单变换器系统相比,双变换器owem系统的硬件中虽增加了一个变换器,但可利用功率等级低的开关器件获得输出的高电压、大功率和低谐波。与传统三电平变换器相比,具有相同供电效果的双变换器系统无需钳位二极管或电容,系统整体成本更低,且不存在电容分压不均、电容电压波动等问题[11]。当两变换器供电电压不等且构成1∶2的幅值比例时,则可产生如图4c所示的37个大小互不相同的有效电压矢量,获得四电平变换器的供电效果[12]。

图4基本电压空间矢量平面示意图

也可采用两/三电平、三/三电平等组合形成五电平[13],甚至八电平[14]、九电平[15]等更多电平供电效果的owem系统。另外也可对多电平变换器的更多组合形式以及电压分配形式进行研究,来获得更多电平的供电效果,充分体现双变换器owem系统的多电平特性及高电压、大功率的输出能力。

3owem系统的控制技术

owem系统中的绕组双端开放形式以及双变换器的不同供电模式增加了系统控制的灵活性,方便不同的电机控制技术和脉宽调制技术的灵活实现,甚至新型owem结构和相应控制方式的实现。同时双变换器所具有的天然硬件冗余特性也大大提高了系统的容错性和可靠性。

如将两个变换器独立看待,则两者的独立与协调控制是关键;如将两个变换器作为一个整体变换器来看待,则其脉宽调制技术是系统控制的关键;如其中一个变换器仅采用大电容供电提供无功,则此变换器的串联补偿控制是研究的关键;如关注开绕组电机系统的运行性能及安全,则高性能的电机控制技术和容错策略是关键。因此针对不同应用场合、拓扑结构和控制目标,需要对双变换器owem系统的控制技术进行多方位的广泛研究。

3.1独立与协调控制技术

owem结构最初的提出是为了提高电机驱动系统的功率容量,因此对两个变换器可以进行独立控制,且采用的控制方法可完全相同。

文献[6]指出,在电动汽车应用中,owem系统比传统单变换器电机系统具有更高的功率密度、更大的低速输出转矩、更高的高速输出功率、更优的弱磁特性以及更小的相电流。尤其是在已有电机本体结构无法改变的前提下,可采用开放绕组形成开绕组拓扑结构的措施来提升系统的整体运行性能。

针对如图2b所示的具有两个独立供电电源的混合动力汽车应用的owem系统,为了在汽车的不同运行工况和主、副两个电源的不同使用情况下均能高效利用有限的电源能量,可通过对两个变换器输出电压、电流进行协调控制来实现电机的输出功率和两个变换器之间的动态功率流动,以实现混合动力汽车系统中多种能源的有效能量管理。

另外针对车载起动/发电系统中的永磁电机,可通过在开放式的定子绕组一侧接由蓄电池作为电源供电的逆变器,根据实际工况进行充放电。另一侧通过单向整流器直接连接负载,提供负载所需的功率[16]。此时也可通过对电压、电流进行双闭环控制,保证整流侧输出电压的稳定,通过控制策略解决电机应用于车载起动/发电系统中存在的转速范围窄、调压控制困难等问题,为永磁电机在起动/发电系统中的应用提供新的实现方案。

可见,由于双变换器owem系统中的两个变换器可分别独立控制,因此可以实现两者的协调,方便实现能量管理,满足系统的多种运行工况与要求。因此在电动汽车、电动舰船等电力牵引领域具有非常广阔的研究和应用空间。

3.2串联补偿技术

在电动汽车、电动舰船、电梯等电力牵引应用中,电源个数及容量有限且电源对系统整体成本、体积以及重量具有重要的影响。有学者针对如图2c所示的电源与大电容分别对owem系统两变换器供电的方式提出了串联补偿技术。

文献[10,17]分别针对开绕组感应电机和永磁同步电机,验证了利用图2c所示的供电方式中对接电容一侧的变换器进行控制的方法来处理无功功率、扩大弱磁范围,维持电机恒功率输出。

文献[18]进一步引入了柔性交流输电系统(flexibleactransmissionsystem,facts)中的串联补偿思想,深入分析了电容侧变换器的串联补偿作用,可通过对串联补偿变换器进行控制,使其输出感性或容性的无功,进而改变电机系统的整体运行性能。

当电机运行速度升高时,其无功功率会迅速增加,功率因数下降,因此采用这种拓扑结构及相应的控制策略,可将大电容与变换器一起作为owem系统的串联补偿装置。通过控制电容侧变换器来补偿高速时所需的无功功率,使直流电源的输出电压大部分甚至是全部用于输出有功功率,从而提高功率密度、增大低速时的电磁转矩和高速时的输出功率,扩展电机的运行范围,并能在弱磁阶段保持恒功率输出。无疑为有宽转速范围、高转矩输出要求的应用场合提供了有效的解决方案。

3.3脉宽调制技术

双变换器owem系统运行时通常需同时控制两个变换器,因此针对不同拓扑结构,可通过改进双变换器的脉宽调制技术,分别达到电流谐波抑制、降低开关频率、抑制零序电流等控制目标。而且除了直接借鉴常规单变换器调制方法之外,还可充分利用两变换器可独立和协调控制的灵活性而获得新的调制方法。

3.3.1电流谐波抑制

双两电平变换器组合可实现多电平供电效果,减小电流谐波,但不同的pwm技术对电流谐波的抑制效果有所差别。当将给定电压矢量平均分配给两个变换器,而两个变换器采取不同的电压矢量合成顺序时,则一个开关周期内同一时刻两个变换器输出的电压矢量将不会完全一致,导致不同的调制策略下电机端电压的输出不尽相同,所产生的电流也会特性各异。

改变补偿时间是在pwm策略中调整有效电压矢量作用位置的有效手段,通过改变补偿时间,即可实现不同的电压矢量调制策略。文献[19]研究了10种不同补偿时间下pwm策略的电流及其谐波的变化轨迹,发现非连续pwm(即两相pwm)策略控制下的电流谐波最小。一个开关周期内当一个逆变器始终处于某固定开关状态、另一逆变器通过pwm调制来补偿所需电压矢量时,不同pwm调制技术同样会对电流谐波造成影响。

文献[20]研究并比较了svpwm、spwm、混合pwm、非连续pwm等调制技术,发现这种电压分配模式下svpwm策略下的电流谐波最小。6n±1次谐波(n=1,3,5,7,…)是电流谐波中的主要成分,为抑制甚至消除该类谐波,文献[21]提出了将两变换器直流母线电压比设为1∶0.366的方法,即可利用三角载波和合适的调制波能有效地消除

6n±1次电压谐波,同时削弱11次和13次谐波。

3.3.2降低开关频率

为降低双变换器owem系统中的开关损耗,可采用一个变换器工作于低频、而另一变换器工作于高频状态的方法。即在一个扇区内,将一个变换器钳位在一个固定的开关状态,而通过另一变换器进行常规pwm的处理方法[5]。此时低频变换器的开关频率仅为电机的电磁旋转频率的6倍,较大程度地降低了开关损耗。另外也可在两变换器间采取交替钳位控制,保证两变换器工作频率总体上一致,以提高功率器件使用寿命[22]。

对于两个不同幅值电源供电时形成的四电平双变换器owem系统,文献[23]研究了基于不同转速范围内将所有电压矢量从小到大分为3个不同区域,并分析了扇区判断以及分别针对3个区域的pwm技术。发现随着电机转速的升高,电压波形的斩波数增多,开关频率下降,开关损耗减小,且电流所含的谐波分量也将减小。此类结构及调制方式的提出也为高效双变换器owem系统的实现提供了一条有效途径。

3.3.3零序电流抑制

在如图2a所示的单个电源同时为两变换器供电的owem系统中,其结构决定了共模电压的产生,进而会生成零序电流和损耗,降低系统的运行效率。为降低甚至消除电机的零序电流,可采用增加硬件环节的方法,如在电机相绕组中串联共模扼流圈[3]或使用双向辅助开关[24]等方法,但在增加硬件器件的同时也提高了系统成本。

当前针对图2a中的系统,普遍采用的方法是改进pwm技术来抑制零序电流。最直接的解决方案为在一个控制周期中,选用合适电压矢量使得两个变换器调制出的共模电压相互抵消,进而实现共模电压的抑制[25]。但此方法调制时仅选用了19种电压矢量中的7种,代价是直流电源母线电压的利用率降低了15%。

文献[26]采用了在一个采样周期内保持一个变换器的开关状态不变,通过另一变换器的开关状态进行调制来补偿所需电压的方法,使得19个电压矢量均得到使用,再通过调整零电压矢量在控制周期开关序列的位置,获得一个周期内共模电压平均值为零的效果,实现了零序电流抑制的同时降低开关频率。但由于共模电压瞬时值并不为零,电流谐波增加,且同样存在直流母线电压利用率低的问题。

另外可以通过检测零序电流,并经过推导计算得到补偿电压,将其加入给定电压中实现零序电流的补偿[27]。目前专家学者们仍在不断尝试对各种pwm策略的深入分析,以得出更复杂工况下的新型pwm策略来实现共模电压和零序电流的抑制[28,29]。

3.4电机控制技术

当前热点研究的owem系统大部分为将常规异步电机或永磁同步电机定子绕组中性点打开而形成,因此与常规电机类似,为获得优异的控制性能,也必须研究其高性能控制策略。文献[3]在首次提出owem系统时,采用的是直接转矩控制,之后有文献将矢量控制[6]、最大转矩/电流比控制[30],弱磁控制[11]和无位置传感器技术[31]等直接移植到owem系统中,以获得更佳的控制效果并拓宽其应用场合。

随着各种新型电机的不断涌现,除了上述常规电机之外,还可利用开绕组系统中双变换器的多种供电形式以及丰富的脉宽调制技术,来实现更多类型电机甚至变压器[32]的开绕组形式,并研究其控制方法,而这些电机的控制方法与其原型电机类似。

如将多相电机的定子绕组中性点打开形成多相开绕组电机[7],将无刷双馈电机的控制绕组中性点打开形成如图5所示的开绕组无刷双馈发电机[33],或将双馈感应发电机的转子绕组中性点打开形成开绕组[34]。

甚至可以利用开绕组结构特点形成新型电机,如利用定子开绕组中的谐波或高频电流,来实现电励磁电机的无刷化,可形成如图6所示的谐波励磁式开绕组无刷同步电机[35,36]。

图5开绕组无刷双馈发电机

图6开绕组无刷谐波励磁同步电机

由于电机的控制性能在很大程度上依赖于电机的本体参数,因此也有文献针对开绕组结构形式,对已有电机进行电磁和绕组的重新设计,以获得更好的系统运行性能。文献[37]针对并列式混合励磁磁通切换电机,研究了一种新型绕组结构,减小了相绕组自感与互感之差,提高了电机的调磁能力与转矩密度,使其更适于开绕组独立发电系统的应用。

文献[38]分析了一种开绕组可变磁通磁阻电机的绕组设计和控制。将原电机中的磁场和电枢两套绕组并联形成一套绕组,因此电阻可减半,在提高电机运行效率的同时扩展了运行区域。同时还利用了开绕组系统拓扑可产生的零序电流直流成分来实现对磁场和电枢电流的集成控制。这些都为新型电机的开绕组化和相应控制的高性能化提供了可行方案。

3.5容错控制技术

文献[8,39,40]分别针对如图2b所示的两独立电源供电时常规两电平双变换器owem系统中包括变换器器件短路(开路)、单相短路(开路)以及单电源故障等情况进行了分析与容错控制策略的研究。主要解决方案是将故障后系统的拓扑结构进行重构,如当一个变换器的开关器件出现故障时便可立即重构为如图7所示的三相四开关/六开关拓扑结构或三相四开关/四开关结构实现owem系统的不间断运行,或者当变换器单开关管开路故障后形成两相四开关/四开关的拓扑结构。

但重构后系统与故障前系统相比,通常只能运行于降容、损耗增加以及转矩脉动较大的非最优工作状态。因此文献[41]对故障后形成的四开关变换器的调制方式进行了分析以进一步提高系统的容错控制性能。同时owem类型及拓扑结构的多样性也决定了其容错控制的多种目标,如文献[42]便专门对双三电平变换器驱动owem系统的容错策略进行了研究。

图7故障后三相四开关/六开关双变换器owem系统

结论

1)owem系统类型丰富,可采用电动机、发电机或变压器,适用三相、多相,结合合适的控制策略,几乎所有电机的绕组均可打开中性点形成开绕组系统。

2)owem系统应用广泛,且随着技术的发展,其应用场合将会不断被拓宽。

3)owem系统拓扑结构多样,其双变换器可选择两电平、三电平或多电平,可选用电压型、电流型或多种类型的组合,以实现更高电平的输出,适于多种控制方式的实现和不同场合的应用。

4)owem系统控制灵活,可对双变换器进行独立或协调控制,对系统功率流向进行管理,在有限电源情况下提高系统性能,实现容错控制。将多种pwm技术、高性能电机控制策略与先进自动控制理论相结合,可进一步推动owem系统控制性能的提高。

研究展望

1)owem系统中双变换器的引入增加了电机系统的复杂度也提升了控制灵活度。因此结合开绕组电机类型、变换器结构和组合形式,对优化脉宽调制策略和弱磁控制进行研究,提高其运行效率、运行范围和控制性能,具有极大的理论和工程意义,是需要长期努力的研究课题。

2)owem系统结构多样、控制灵活,非常适用于多能源分布式发电和混合动力汽车。对现有适用类型电机进行开绕组化,并根据具体电机类型和应用场合的特点研究其高性能控制策略,具有非常广阔的研究空间和应用前景。

3)双变换器的引入也为系统提供了天然的冗余性。针对航空航天、国防等对安全和不间断性有极高要求的场合,研究容错型开绕组电机系统拓扑结构,对故障诊断、故障后系统重构和高性能容错控制策略进行分析具有极其重要的意义,值得深入研究。

4)owem系统的优势特性为新型电机及系统的设计和控制提供了极大的研究空间。随着新型电机的不断涌现,对适合于开绕组形式的新型电机本体及系统拓扑进行优化设计,探索相应的高性能调制方式和控制策略,将是未来推动开绕组系统广泛应用的一个重要的研究内容。

5)目前开绕组方式的实现或是直接将已有电机绕组中性点开放,或是针对单一类型电机进行本体结构的重新设计,尚未得到一些共性设计理论。对开绕组电机设计及控制的一些共性问题进行研究,如开绕组结构对电机本体设计和控制的特殊要求、电磁设计和绕组设计应遵循的设计原则、与传统电机相比存在的难点和不足等进行深入研究,得出具有指导性的结论,将会进一步丰富电机系统及其控制的理论,是必须进行深入研究的课题。