PMSM對(duì)拖系統(tǒng)再生能量利用研究

侯黎平 王兵 何孝祖

摘 要：分析傳統(tǒng)對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)的負(fù)載能量利用情況的基礎(chǔ)上，搭建了一種直流互饋對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，負(fù)載回饋能量在兩臺(tái)電機(jī)循環(huán)利用，大大降低了能耗。對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)中的變工況能量造成直流母線電壓的波動(dòng)，采用超級(jí)電容和電阻混合控制處理不僅能夠吸收被測(cè)PMSM減速制動(dòng)回饋能量，還能穩(wěn)定系統(tǒng)啟動(dòng)加速階段造成的母線電壓跌落，使系統(tǒng)安全高效的運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；互饋對(duì)拖；超級(jí)電容；能量回收

傳統(tǒng)的能量消耗型電機(jī)測(cè)試平臺(tái)不僅電能消耗成本太高，而且不能滿足大功率PMSM的城市道路工況測(cè)試要求。本文研究一種直流互饋的對(duì)拖交流傳動(dòng)測(cè)試平臺(tái)能將負(fù)載PMSM再生發(fā)電能量回饋到直流母線，使回饋能量循環(huán)利用。這種基于電磁轉(zhuǎn)矩方式的無功耗負(fù)載測(cè)試系統(tǒng)，大大降低了能耗[1-3]。

直流互饋對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)中被測(cè)PMSM模擬城市道路工況存在頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和加減速，變工況過程較大的瞬時(shí)能量會(huì)造成直流母線電壓波動(dòng)。當(dāng)被測(cè)PMSM減速制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)運(yùn)行會(huì)向直流母線回饋瞬時(shí)能量，會(huì)造成直流母線電壓快速泵升，若不及時(shí)處理不僅會(huì)危害開關(guān)囂件和控制系統(tǒng)的安全，而且影響負(fù)載電機(jī)的加載和系統(tǒng)的能效。本文采用超級(jí)電容和電阻混合處理變工況的瞬時(shí)能量，搭建基于超級(jí)電容的對(duì)拖測(cè)試仿真平臺(tái)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)方案的正確性和控制策略的可行性。

1對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 PMSM互饋對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)也就是背靠背（back-to-back）試驗(yàn)系統(tǒng)，由一套三相交—直整流器組成的直流電源、兩套變流器-PMSM以及系統(tǒng)控制器組成，兩臺(tái)PMSM通過機(jī)械聯(lián)軸器背靠背同軸連接，如圖P所示。由于被測(cè)電機(jī)系統(tǒng)和負(fù)載電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，所以能夠互相模擬負(fù)載進(jìn)行測(cè)試，這樣就構(gòu)成了“雙變流器-PMSM”四象限串聯(lián)能量互饋系統(tǒng)[4]。其核心通過機(jī)械和電氣的耦合實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)，測(cè)試被測(cè)電機(jī)和控制系統(tǒng)的功能和性能。

1 2互饋對(duì)拖系統(tǒng)運(yùn)行原理

根據(jù)圖1，對(duì)拖雙電機(jī)都采用采用ld=0轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向的矢量控制策略和SVPWM調(diào)制控制算法。兩臺(tái)PMSM同軸聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，本文采用控制被測(cè)PMSM1工作于轉(zhuǎn)速閉環(huán)，控制整個(gè)對(duì)拖系統(tǒng)的速度；負(fù)載PMSM2工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，通過控制負(fù)載電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩變化，來模擬被測(cè)PMSM1的負(fù)載大小，這樣互饋對(duì)拖系統(tǒng)能夠靈活的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和速度，完成各種工況試驗(yàn)功能測(cè)試需求[5]。

2超級(jí)電容和電阻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

被測(cè)PMSM系統(tǒng)模擬道路工況運(yùn)行時(shí)超級(jí)電容和電阻混合處理能量控制流程如圖2所示。

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在被測(cè)PMSM系統(tǒng)啟動(dòng)加速時(shí)補(bǔ)償一定的直流母線跌落電壓，其充、放電控制框圖如圖3所示。要實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)和直流母線之間能量的雙向流動(dòng)，對(duì)雙向DC-DC變換器采用基于小信號(hào)模型的狀態(tài)空間平均法分析的電壓、電流的雙閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定范圍寬[6-8]。

整個(gè)控制算法中，參考電壓Ure1、Ure2分別為對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)中被測(cè)PMSM起動(dòng)加速和減速制動(dòng)時(shí)超級(jí)電容放電、充電給定電壓域值。首先采集直流母線網(wǎng)壓Ud，實(shí)時(shí)比較采集直流母線電壓Ud反饋值同給定域值電壓值Ure1，Ure2得到系統(tǒng)狀態(tài)判定信號(hào)，輸出相應(yīng)的域值電壓值作為系統(tǒng)的給定。判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式，若Uref2

然后通過給定域值電壓和母線實(shí)際電壓的反饋值Ud比較計(jì)算得到系統(tǒng)的輸入電壓信號(hào)△Ud，經(jīng)過電壓環(huán)P1控制器調(diào)節(jié)輸出一個(gè)電流信號(hào)作為電流環(huán)給定值，給定值/L*同實(shí)際采集的電流IL反饋值比較，得到占空比控制電壓給定信號(hào)△/L，經(jīng)電壓P1調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)輸出的控制占空比D的充放電端電壓Uscc和Udo，通過與三角波比較得到PWM觸發(fā)脈沖，實(shí)現(xiàn)控制超級(jí)電容吸收或釋放能量。

其中在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入兩個(gè)限幅控制器，電壓環(huán)的輸出限幅控制器能使充放電電流限制在允許范圍內(nèi)，保障超級(jí)電容和開關(guān)器件安全；電流內(nèi)環(huán)限幅控制器維持占空比在一定范圍，從而使超級(jí)電容兩端電壓限制在允許的工作范圍內(nèi)。

3對(duì)拖仿真模型及仿真結(jié)果分析

通過以上分析，搭建超級(jí)電容裝置的雙電機(jī)聯(lián)合控制互饋對(duì)拖仿真測(cè)試平臺(tái)。對(duì)拖測(cè)試系統(tǒng)中，超級(jí)電容和制動(dòng)電阻混合儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)，超級(jí)電容電壓Uc為624V，容量C為121.9F，內(nèi)阻為5.6mΩ，母線側(cè)電容Cd為74.4μF，電感L為56mH，系統(tǒng)頻率1KHz。

圖4變換器仿真模型中Switchl為制動(dòng)電阻控制開關(guān)，母線接近母線安全電壓時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，對(duì)拖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀況運(yùn)行都是關(guān)斷狀態(tài)。Switch0為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)備用投入選擇開關(guān)。當(dāng)對(duì)拖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)Switch0開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)即超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)備用狀態(tài)；系統(tǒng)大范圍起動(dòng)加速或制動(dòng)減速過程Switch0導(dǎo)通，雙向DC-DC變換器投入工作。

如圖5混合儲(chǔ)能裝置的控制電路，分為控制邏輯指令判斷模塊和電壓電流雙閉環(huán)雙向DC/DC觸發(fā)信號(hào)控制模塊其中PWMO為雙向DC/DC投入備用觸發(fā)信號(hào)；PWM3為制動(dòng)電阻投放觸發(fā)信號(hào)，PWM1、PWM2分別為IGBT1、IGBT2的觸發(fā)信號(hào)，控制超級(jí)電容充放電。

如圖6充放電控制控制指令判斷是其中PWM3是制動(dòng)電阻開關(guān)的觸發(fā)信號(hào)，本文設(shè)置比較電壓Uref3是1700V，PWMO是母線電壓和Uref1、Uref2邏輯比較產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，本文設(shè)置Uref1、Uref2分為別1450V和1550V。

首先被測(cè)電機(jī)啟動(dòng)加速到1500r/min，1.5速度降到500r/min。接著連續(xù)的提速增量分別為200，300，400r/min。

由圖7-10波形對(duì)比分析，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)需要很大的啟動(dòng)能量，造成直流母線電壓跌落到1100V左右這時(shí)超級(jí)電容釋放能量將直流母線電壓抬升到設(shè)定電壓值1400V左右。此時(shí)超級(jí)電容兩端電壓下降，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后超級(jí)電容進(jìn)入備用狀態(tài)，此時(shí)超級(jí)電容電壓基本穩(wěn)定在一個(gè)變化不大的區(qū)間。

當(dāng)1.5秒被測(cè)電機(jī)制動(dòng)到速度降到500r/min這時(shí)由于一個(gè)較大的制動(dòng)速度導(dǎo)致直流母線電壓泵升到1700V此時(shí)超級(jí)電容進(jìn)入儲(chǔ)能狀態(tài)吸收母線上回饋的瞬時(shí)能量，將母線電壓降到設(shè)定1550V附近，減小了對(duì)系統(tǒng)的沖擊。

2s、2.5s、3s時(shí)分別給電機(jī)不同的加速量，直流母線電壓對(duì)應(yīng)不同程度的波動(dòng)。加速量越大，母線電壓波動(dòng)下降越程度大，則系統(tǒng)加速過程中需要的瞬時(shí)能量越大。通過對(duì)直流母線電壓的分析，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)直流母線電壓基本維持在1500V說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)兩臺(tái)電機(jī)工作在電動(dòng)和發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

4總結(jié)

通過對(duì)PMSM互饋對(duì)拖控制的研究分析，搭建了互饋對(duì)拖仿真測(cè)試平臺(tái)，仿真平臺(tái)具有高效節(jié)能的功能，能把傳統(tǒng)能耗型對(duì)拖測(cè)試平臺(tái)負(fù)載阻力矩消耗掉的機(jī)械能量，回饋到直流母線上實(shí)現(xiàn)能量循環(huán)利用。超級(jí)電容模塊充放電提供的瞬時(shí)能量，能夠有效減小雙電機(jī)起動(dòng)時(shí)的巨大壓降，吸收被測(cè)電機(jī)制動(dòng)時(shí)回饋到母線的瞬時(shí)再生制動(dòng)能量，有效減小泵升電壓。這不僅提高了能量利用率，而且使直流母線電壓穩(wěn)定在一個(gè)安全運(yùn)行的區(qū)間，增加了系統(tǒng)的安全。

參考文獻(xiàn)

[1）李文勇.大功率交流傳動(dòng)能量互饋電力機(jī)車試驗(yàn)臺(tái)[J]，鐵道機(jī)車與動(dòng)車，2016，（01）：41-46.

[2]劉家鑫.電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)仿真研究[D]，大連交通大學(xué)，2012.

[3]Modeling and SimulationforCommon DC Bus Multi-motor Drive Systems Based on Ac-tivrty Cycle Diagrams.Li J，Tang t，wang T，et al.IEEE Intemational Symposiumon Industrial Electronics. 2010

[4]許迎杰，張全柱，鄧永紅.交流牽引傳動(dòng)能量互饋試驗(yàn)臺(tái)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)車，2008，（06）：48+55.

[5]胡文斌，劉少培，張勝洲，吳軍基.電壓解耦矢量控制交流牽引平臺(tái)[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（06）：903-907，

[6]張秋瑞，葛寶明，畢大強(qiáng).超級(jí)電容在地鐵制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究[J]，電氣化鐵道，2012，23（2）：40-43.

[7]邊宏超.地鐵牽引系統(tǒng)混合型再生制動(dòng)能量吸收及利用方案的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[8]武利斌.基于超級(jí)電容器的城軌再生制動(dòng)儲(chǔ)能仿真研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.