[发明专利]一种永磁同步电机系统的单位功率因数控制方法

说明书

一种永磁同步电机系统的单位功率因数控制方法，基于电压功率角前馈控制思想，通过对第k‑1拍的功率角Θ(k‑1)的计算，实现对第k拍的内功率因数角ψ(k)的预测，进而得到单位功率因数控制下的d、q轴电流分配律；基于获得的电流分配律结合传统的电压、电流双闭环控制拓扑可以实现永磁同步电机系统的单位功率因数控制。本发明方法不依赖于电机参数且控制精度不受到电压谐波干扰的影响，具有控制方案简单、易于数字系统实现的特点，在全功率范围及动静态过程中均可以取得较好的单位功率因数控制效果。

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机系统的单位功率因数控制方法。

背景技术

由永磁同步电机-三相全控整流器组成的AC-DC变换器系统是一种较为常用的“交-直”型电能变换装置，可以实现“机械能-交流电能-直流电能”的转换。上述应用中，永磁同步电机系统运行于可控整流发电状态，可以将永磁同步电机系统的上述可控整流发电运行状态看作是与电动运行相对称的运行模式。永磁同步电机系统的发电运行与电动运行的不同之处在于功率因数控制方面的要求不同，控制无功功率为零可以减小系统对整流器容量的需求，进而提高系统的容量密度，因而在对于系统容量密度有较高要求的应用中，迫切要求永磁同步电机系统发电运行时的功率因数接近1。

通过对现有技术的检索发现，胡书举等于2009在《电气传动》上发表了名为《一种PMSG的近似UPF控制方法研究》的文章，介绍了一种永磁同步发电机的近似单位功率因数控制方法，推导了基于转子磁场定向下的单位功率因数控制d-q轴电流的分配律，文中给出的电流分配律包含了开方项，在实际应用中十分不便，且电流分配律包含了电机的电感、磁链等参数，上述参数在电机运行过程中会随工况的不同而发生变化，因而电机参数的时变性直接会影响单位功率因数实际的控制效果。申请号为CN201510914855.X的专利《一种永磁同步风力发电机单位功率因数控制方法》公开了一种用于永磁同步风力发电机的单位功率因数运行控制方法，其核心思想是将d-q坐标系的q轴与定子电压矢量重合并随定子电压矢量同步旋转，通过控制i_d＝0使得系统无功功率为零，进而在理论上可以实现功率因数为1的单位功率控制；但是，该方法本质上为基于定子电压矢量定向的控制方法，该类方法的控制效果依赖于定子电压矢量相位角的检测，由于实际系统的电压中含有谐波干扰，谐波的存在将直接影响电压矢量相位角度的检测的精度，因而实际使用中较难达到预期的控制性能。

随着永磁电机-整流器所组成的电能变换器在实践中的应用范围不断扩大，设计一种简便易行且不依赖于电机参数的单位功率因数控制方法，用于实现系统容量密度提升的需求随之产生。

发明内容

本发明的目的是克服已有的永磁同步电机系统单位功率因数控制策略依赖于电机参数、电压矢量相位角的检测易受电压谐波干扰的弊端，提出一种不依赖于永磁电机参数的单位功率因数控制方法。本发明基于电压功率角前馈控制思想，通过对第k-1拍的功率角Θ(k-1)的计算，实现对第k拍的内功率因数角ψ(k)的预测，进而得到单位功率因数控制下的d-q轴电流分配律；基于获得的电流分配律结合传统的电压、电流双闭环控制拓扑可以实现永磁同步电机系统的单位功率因数控制。本发明不依赖于电机参数且控制精度不受到电压谐波干扰的影响，具有控制方案简单、易于数字系统实现的特点，在全功率范围及动静态过程中均可以取得较好的单位功率因数控制效果。

永磁同步电机系统的单位功率因数控制又称零无功功率控制，本质上是通过控制与电机参数有关的内功率因数角ψ来实现的。根据永磁同步电机的数学模型，可以列出电机运行在单位功率因数状态时的定子电流运行轨迹方程如下式所示，

其中，i_d、i_q分别为电机定子电流的d、q轴分量；L_d、L_q分别为电机的d、q轴电感；为电机的永磁磁链。