电气工程学报, 2016, 11(1): 32-38 doi: 11.11985/2016.01.005

一种基于开绕组永磁电机的故障容错型发电机系统

魏佳丹, 何健, 郑青青

南京航空航天大学自动化学院电气工程系 211106 南京

A Novel Fault Tolerant Generation System Based on the Open-Winding PM Machine

Wei Jiadan, He Jian, Zheng Qingqing

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Nanjing 211106 China

收稿日期: 2015-03-24   网络出版日期: 2016-01-25

基金资助: 国家自然科学基金（51207070）资助项目

Received: 2015-03-24   Online: 2016-01-25

作者简介 About authors

魏佳丹 男 1981年生,博士,副教授,研究方向为新能源发电技术。

何 健 男 1989年生,硕士研究生,研究方向为新能源发电控制技术。

摘要

针对永磁电机应用于发电系统中所存在的适用转速范围较窄和容错运行可靠性不高的问题,提出了一种基于逆变器–整流器的绕组开路型永磁发电系统。分析了其系统拓扑结构和工作原理,阐述了其发电运行控制策略,并重点分析了电机侧的各种故障状态,提出了相应的故障容错运行控制方法,利用Matlab软件搭建了系统的仿真模型并进行了仿真研究,仿真结果表明,系统在各种故障状态下都能维持一定的发电功率运行,验证了所提出的故障容错运行控制策略的有效性。

关键词： 绕组开路 ; 永磁电机 ; 故障容错 ; 逆变器–整流器

Abstract

Due to the narrow speed range and the poor reliability of fault tolerant for the PMSM applied in generation system, this paper presented a novel open-winding PM generation system based on the inverter-rectifier, the topology and operation principle were analyzed and the control method of proposed system is proposed. Then, the fault tolerant control strategy was given based on the detail analysis of the various fault states and the simulation models were built based by the software of Matlab. The simulation results verify the feasibility of maintain output characteristics under fault conditions and the validity of the proposed control method.

Keywords： Open-winding ; permanent magnet motor ; fault tolerant ; inverter-rectifier

PDF (2709KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

魏佳丹, 何健, 郑青青. 一种基于开绕组永磁电机的故障容错型发电机系统. 电气工程学报[J], 2016, 11(1): 32-38 doi:11.11985/2016.01.005

Wei Jiadan. A Novel Fault Tolerant Generation System Based on the Open-Winding PM Machine. Journal of Electrical Engineering[J], 2016, 11(1): 32-38 doi:11.11985/2016.01.005

1 引言

由于永磁电机具有功率密度大和效率高等优点,在风力发电、分布式发电和车载电气等应用场合都获得了大量的应用,随着电机控制、电力电子和数字控制技术的发展,永磁电机具有很好的应用前景[1]。但当其作发电运行时,永磁体的存在使气隙磁场调节困难,转速范围较窄,并且故障容错运行可靠性不高,采用弱磁控制的方法本身所能扩展的转速范围有限,并且会增加逆变器容量和系统成本,存在使永磁体退磁的危险。

针对上述问题,相关学者提出了各种改进措施,如特殊磁路结构设计[2,3]、混合励磁电机结构[4,5]、特殊结构定子和绕组设计[6,7]、容错电机结构设计[8,9]等,这些改进方案虽然在一定程度上能够达到气隙磁场调节和提高故障容错运行能力的目的,但却增加了系统的复杂程度,并且降低了功率密度和发电效率,减弱了永磁电机固有的高效率和高功率密度的优越性。

针对上述问题,本文提出了一种基于逆变器–整流器的绕组开路型永磁发电系统结构。1989年日本学者Isao Takahashi首次提出了绕组开路型异步电机的概念,电机两端连接两套逆变器,通过双逆变器的协调控制提高电机的转矩响应速度和频带范围[10]。由此绕组开路型电机连接方式获得了人们的认可,一直以来,相关研究主要是针对大功率异步电机驱动应用场合[11,12,13,14,15],而在绕组开路型永磁电机的研究方面,2007年韩国学者Seung-Ki Sul提出了逆变器–电机–逆变器的系统结构,研究其提高电机出力转矩的永磁电机弱磁控制方法[16]。在2008年的时候提出逆变器–电机–电网的系统结构,利用绕组开路型永磁电机实现新能源发电的直接并网,并主要研究了同步发电工作状态的功率流解耦控制策略,首次研究了绕组开路型永磁电机的发电工作原理,但并网时电机转速严格限定,没有对其宽转速范围的发电调压进行研究[17]。2010年,威斯康辛大学Lipo教授则提出了电机–级联半控桥的系统结构,利用发电功率双向流出的特点降低开关器件的功率等级,但其没有对系统结构进行深入研究,尤其对系统的故障容错运行状态没有进行详细的分析[18]。

因此,本文针对绕组开路型永磁发电机的概念,提出了一种基于逆变器–整流器结构的发电系统拓扑,在分析系统拓扑结构工作原理和发电控制策略的基础上,重点研究了电机侧的各种故障状态,提出相应的控制方案,最后通过仿真验证了这些控制方案的可行性。

2 系统结构和工作原理

2.1 系统结构

基于逆变器–整流器的绕组开路型永磁发电系统结构如图1所示,主要由绕组开路型永磁发电机、逆变器、整流器、滤波电容、负载、驱动电路、控制器和相关的电压电流检测电路所组成,电机的左侧与逆变器连接,右侧与整流桥进行连接,逆变器和整流桥的直流母线并联形成逆变器–整流器结构,滤波电容和负载接在并联直流母线之间,控制器采集发电机的转子位置信号、三相电流信号和直流母线电压信号,经过相关的控制算法处理后,给出逆变器的控制信号,以实现宽转速范围内的发电调压控制和故障容错运行时的控制。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1   基于逆变器–整流器的绕组开路永磁发电系统结构

Fig.1   Configuration of open-winding PMSG system based on the inverter-rectifier


2.2 绕组开路型永磁电机

由于永磁电机的中性点打开,并且系统结构中存在零序电流通路,所以在进行系统工作原理分析和仿真建模时必须考虑其零序分量,采用dq0坐标系下的永磁电机电压方程为

式中,ud、uq、u0为电机绕组端电压的d轴、q轴和零序分量;R为每相绕组的内阻;id、iq、i0为电机绕组电流的d轴、q轴和零序分量;p为微分算子;ω为旋转电角速度;Ψd、Ψq、Ψ0为电机磁链的d轴、q轴和零序分量,磁链方程的表达式为

式中,Ld、Lq、L0为永磁电机的d轴、q轴和零序电感;Ψf为永磁体磁链。而电机的转矩方程和输入功率的方程则为

式中,Te为电机的电磁转矩;pn则为电机的极对数;P为外部电路输入到电机内部的电功率。

2.3 发电控制策略

系统的单相绕组等效结构如图2所示。绕组左侧与逆变器全控桥臂相连,右侧与整流桥不控桥臂相连,绕组通过这两个桥臂进行整流发电输出。常规星形联结的永磁发电系统,需确保其线电压值小于直流侧电压,而本文所提出的绕组开路型永磁发电系统,由于是对每相绕组分别进行发电调压控制,只需确保其相电压小于直流侧电压即可。因为发电机所发出的电压与其转速近似成正比,根据线与相电压之间关系,可以得知所提出的发电系统能将转速范围扩展为常规系统的约 倍,利用结构特点去扩展永磁发电机的发电运行转速范围,并且由于电机绕组独立运行,其故障容错运行可靠性增加。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2   系统单相绕组等效结构图

Fig.2   The equivalentcircuit of the single phase winding


系统在发电运行时,对其采用滞环电流控制方法[18],如图3所示。Udc*为直流侧电压给定值,与反馈值Udc进行比较,误差经PI调节后得到q轴电流给定iq*,对发电机采用单位功率因数控制,根据iq*计算d轴电流给定值id*,id*和iq*经坐标变换得到三相电流给定值iabc*,实际三相电流为iabc,给定电流值与反馈值进行比较,对每相绕组电流单独控制。图2中标示出了a相绕组反电势和电流的方向,此时利用开关器件VT1对绕组电流进行斩波控制,当VT1开通时,a相绕组短接,绕组电流i经VD1a和VT1流通并增大进行储能,当VT1关断时,a相绕组电流跨接在直流母线两端,绕组电流i经VD4和VD1a流通并减小,输出发电功率,根据滞环比较的结果去控制VT1管的开通与关断,实现绕组电流的滞环控制,当电流方向与图2中所示电流方向相反时,则采用VT4管去实现电流的斩波控制,利用逆变器实现绕组电流滞环电流控制的开关状态见表1。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3   系统发电运行控制策略

Fig.3   System control strategy in the generation mode


Tab.1   Switching status of the inverter by the current hysteresis control method

电流误差值 桥臂上管开关状态桥臂下管开关状态
>滞环宽度关断开通
未超过环宽不变不变
<滞环宽度开通关断

新窗口打开| 下载CSV


3 机侧故障容错控制方案

3.1 单相和两相绕组断路故障容错控制方案

当发电机的某一相或者两相绕组与功率变换器连接断路时,常规星形联结系统中由于三相绕组不独立,其剩余绕组的发电输出能力下降或者形成孤立连接无法进行整流发电,而本文中所提出的永磁发电系统采用绕组开路型电机结构,三相绕组之间相互独立,可以最大程度地消除绕组断路对剩余绕组的影响,这种故障状态不会影响到剩余绕组的发电运行,此时对剩余绕组仍采用滞环电流控制策略,系统可以维持较小的发电功率运行。

3.2 整流器侧两相绕组短路故障容错控制方案

图4为发电机在整流器侧发生两相绕组短路故障时的示意图,图中为a相与b相绕组之间发生短路故障,此时的电机运行空间矢量图如图5所示,a相绕组与b相绕组串联成一相,所以其电流大小相等,符号相反,此时其合成的空间矢量为iab,与c相绕组电流的空间矢量ic垂直,is为给定的空间矢量,id和iq是其d轴和q轴分量,θ是d轴与a相绕组轴线的夹角,α是is与d轴的夹角,由于a相和b相绕组串联,其产生的空间矢量在图中所示的a-b轴线上,将给定空间矢量is往c轴和a-b轴线上投影即得到ic和iab分量,根据相关矢量的空间位置关系,可以得到其计算公式为

利用式（5）和式（6）就可以得到三相电流给定值的计算公式,根据给定值就可以对三相绕组采用上文所述的滞环电流控制,在这种控制方法下,a相和b相绕组串联成一相,其电流相位滞后于c相电流90°,并且与串联后所得的电压Vab = ea - eb相位相差180°。

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4   整流器侧两相绕组短路故障示意图

Fig.4   System diagram under the two-phase short-circuit in the rectifier


图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5   电机运行空间矢量图

Fig.5   Voltage space vector of the PMSG


3.3 逆变器侧两相绕组短路故障容错控制方案

图6所示为发电机在逆变器侧发生两相绕组短路故障的示意图。此时a相和b相绕组在逆变器侧短接,在这种故障状态下,通过控制a相桥臂的斩波占空比去控制a相和b相绕组的发电输出功率,如图7所示。在阴影部分的180°区间内,负向电压部分大于正向电压部分,为控制其输出功率,此时控制上管的斩波占空比,下管处于关断状态;而在非阴影区间内,正向电压部分大于负向电压部分,此时控制下管的斩波占空比,上管则处于关断状态。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6   逆变器侧两相绕组短路故障示意图

Fig.6   System diagram under the two-phase short-circuit in the inverter


图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7   发电机的a相和b相绕组电压

Fig.7   Waveforms of phase a and b


3.4 逆变器侧三相绕组短路故障容错控制方案

图8所示为发电机在逆变器侧发生三相绕组短路故障时的示意图。此时三相绕组在逆变器侧短接,也通过控制a相桥臂的斩波占空比去控制三相绕组的输出功率,如图9所示。在每一个60°的阴影部分区域,都有某一相绕组的电压为负值,在这些区域内,对桥臂上管的占空比进行控制,下管处于关断状态;而在非阴影区域内,则有某一相的绕组电压为正值,此时对桥臂下管的占空比进行控制,上管处于关断状态。

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8   逆变器侧三相绕组短路故障示意图

Fig.8   System diagram under the three-phase short-circuit in the inverter


图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9   发电机三相绕组电压

Fig.9   Waveforms of the three-phase winding


4 仿真结果分析

利用Matlab软件根据绕组开路型永磁电机相关的式（1）~式（4）可以建立电机的仿真模型,并搭建整体仿真模型,针对系统在单相绕组断路、两相绕组断路、整流器侧电机绕组短路和逆变器侧电机绕组短路等情况进行仿真研究,验证所提出的控制策略的有效性,系统的相关参数见表2。

表2   仿真参数

Tab.2  Parameters for the simulation model

定子每相绕组内阻R/Ω0.1
电机极对数P4
d轴电感Ld/mH0.035
q轴电感Lq/mH0.035
永磁体磁链Ψf /Wb0.019 6
额定转速n/(r/min)3 000
直流侧电压Udc/V42
负载电流idc/A1.5~5

新窗口打开| 下载CSV


4.1 单相绕组断路故障仿真分析

图10为输出直流侧电压和负载电流的仿真波形,给定电压为42V,负载电流2.5A,在0.2s处发生a相绕组断路故障,此时对剩余两相绕组采用滞环电流控制策略,控制其输出功率,从仿真结果看出,发生断路故障后,负载电压逐渐地恢复并稳定在42V,其电压纹波增加。图11所示为发电机三相电流的仿真波形,图中标示出了所对应的ia、ib和ic,在正常发电工作状态下,三相电流为相位相差120°的正弦波,在发生故障之后,a相电流变为0,只剩下b相和c相绕组进行发电输出,为维持同样的发电功率输出,其电流幅值增大。

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10   输出电压和负载电流仿真波形

Fig.10   Simulation waveforms of the output voltage and load current


图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11   三相电流仿真波形

Fig.11   Simulation waveforms of the three-phase currents


4.2 两相绕组断路故障仿真分析

图12为输出直流侧电压和负载电流的仿真波形,图13为发电机三相电流的仿真波形。

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12   输出电压和负载电流仿真波形

Fig.12   Simulation waveforms of the output voltage and load current


图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13   三相电流仿真波形

Fig.13   Simulation waveforms of the three-phase currents


在这种故障状态下,只有一相绕组能进行发电输出,发电输出功率能力较小,此种情况下维持1.5A的负载运行,从图中可以看出,在发电故障状态之后,a相和b相绕组电流变为0,为输出相同的发电功率,c相电流的幅值增加,使负载侧电压恢复到42V,由于只有一相绕组输出发电功率,负载电压的波动幅值较大。

4.3 整流器侧两相绕组短路故障仿真分析

图14为输出直流负载侧电压和负载电流的仿真波形,负载电流为5A,在0.2s处转入故障状态运行后,负载电压能够迅速进入稳态。图15所示为电机的三相电流仿真波形,从图中可以看出,转入故障状态运行,采用相应的控制策略之后,由于a相和b相绕组串联成一相,其电流大小相同,符号相反,ia相比于ic相位滞后90°,其幅值大约为c相绕组电流的幅值 。

图14

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图14   输出电压和负载电流仿真波形

Fig.14   Simulation waveforms of the output voltage and load current


图15

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图15   三相电流仿真波形

Fig.15   Simulation waveforms of the three-phase currents


4.4 逆变器侧两相绕组短路故障仿真分析

图16为输出直流负载侧电压和负载电流的仿真波形,负载电流为5A,在0.2s处转入故障状态运行后,负载电压能够迅速地稳定在42V,图17为转入故障运行控制后的三相电流仿真波形,图18为电机的a相绕组电压电流的仿真波形,在0.2s处转入故障状态发电运行后,a相和b相绕组电流波形质量变差,但绕组的电流与其电压仍保持着约180°左右的相位差,能够提供一定的发电输出功率。

图16

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图16   输出电压和负载电流仿真波形

Fig.16   Simulation waveforms of the output voltage and load current


图17

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图17   三相电流仿真波形

Fig.17   Simulation waveforms of the three-phase currents


图18

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图18   a相电压和电流仿真波形

Fig.18   Simulation waveforms of voltage and current of phase a


4.5 逆变器侧三相绕组短路故障仿真分析

图19为直流负载侧电压和负载电流的仿真波形,负载电流为5A,在0.2s转入故障状态运行之后,直流电压能迅速地稳定在42V,图20为发电机三相电流的仿真波形,在转入故障运行控制策略之后,三相电流的正弦度变差,其幅值有所增加,以维持5A的负载需求。图21所示为发电机的a相绕组电压电流的仿真波形,无论是在正常运行或者故障状态运行的情况下,绕组电流始终与绕组电压保持着约180°相位差的关系。

图19

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图19   输出电压和负载电流仿真波形

Fig.19   Simulation waveforms of the output voltage and load current


图20

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图20   三相电流仿真波形

Fig.20   Simulation waveforms of the three-phase currents


图21

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图21   a相电压和电流仿真波形

Fig.21   Simulation waveforms of voltage and current of phase a


5 结论

基于逆变器–整流器的绕组开路型永磁发电系统可以解决常规永磁发电系统中所存在的问题,提高系统的故障容错运行能力,在系统拓扑工作原理研究的基础上,本文详细分析了各种机侧故障状态并提出了相应的控制方案,利用Matlab软件搭建了系统仿真模型,仿真结果验证了所提控制策略的有效性,系统可以在相应的故障状态下维持一定负载功率的运行,并且能将负载电压的波动控制在一定范围内,维持电气系统稳定运行。

参考文献

唐任远, 赵清, 周挺 .

稀土永磁电机正进入大发展的新时期

[J]. 沈阳工业大学学报, 2011,33(1):1-8,30.

[本文引用: 1]

Tang Renyuan, Zhao Qing, Zhou Ting .

Rare earth permanent magnet electrical machines stepping a newperiod of rapid development

[J]. Journal of Shenyang University of Technology, 2011,33(1):1-8.

[本文引用: 1]

Colton J, Patterson D, Hudgins J.

Design of a low-cost and efficient integrated starter-alternator

[C]. Power Electronics, Machines and Drives, 2008: 357-361.

[本文引用: 1]

Jerome Legranger, Guy Friedrich, Stephane Vivier , et al.

Combination of finite-element and analytical models in the optimal multi domain design of machines: application to an interior permanent-magnet starter generator

[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2010,46(1):232-239.

DOI:10.1109/TIA.2009.2036549      URL     [本文引用: 1]

Liu Chunhua, Chau K T, Jiang J Z .

A permanent-magnet hybrid brushless integrated-starter-generator for hybrid electric vehicles

[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010,57(12):4055-4064.

DOI:10.1109/TIE.2010.2044128      URL     [本文引用: 1]

Chau K T, Chan C C, Liu Chunhua .

Overview of permanent-magnet brushless drives for electric and hybrid electric vehicles

[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008,55(6):2246-2257.

DOI:10.1109/TIE.2008.918403      URL     [本文引用: 1]

Niu Shuangxia, Chau K T, Jiang J Z.

A permanent-magnet double-stator integrated-starter- generator for hybrid electric vehicles

[C]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008: 1-6.

[本文引用: 1]

Zhang Dong, Chau K T, Niu Shuangxia , et al. Design and analysis of a double-stator cup-rotor PM integrated-starter-generator[C]. IEEE Industry Applications Conference, 2006(1):20-26.

[本文引用: 1]

EL-Refaie A M.

Fault-tolerant PM machines: a review

[C]. IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 2009: 1700-1709.

[本文引用: 1]

齐蓉, 陈明 .

永磁容错电机及容错驱动结构研究

[J]. 西北工业大学学报, 2005,23(4):475-478.

[本文引用: 1]

Qi Rong ,

Chen ming. A better fault tolerant Permanent magnet (PM) drive configuration for aircraft

[J]. Journal of Northwestern Polytechnical University, 2005,23(4):475-478.

[本文引用: 1]

Isao Takahashi, Youichi Ohmori .

High-performance direct torque control of an induction motor

[J]. IEEE Transactions on Industry Application, 1989,25(2):257-264.

DOI:10.1016/j.isatra.2019.08.061      URL     PMID:31495590      [本文引用: 1]

The high-performance Direct Torque Control (DTC) requires accurate knowledge of flux and speed information. Furthermore, the elimination of sensors leads to reduced overall cost and size of the electric drive system and subsequently improving its reliability. This paper proposes an effective sensorless direct torque control scheme for induction motor drive. The proposed scheme consists of enhancing the decoupling structure and variable estimation as well. Therefore, an enhanced direct flux and torque control based on feedback linearization is implemented in one hand. This allows obtaining a linear decoupled control together with minimized flux and torque ripples. In another hand, a combined sliding mode observer and model reference adaptive system is associated with the control scheme as sensorless algorithms for rotor speed and flux estimation. This conjunction is intended to enhance the sliding mode observer performances especially at low speed operations and reduce its sensitivity to noise and system uncertainties as well. The effectiveness of the proposed control algorithm has been verified through simulation and experimental work using MATLAB/Simulink software and dSpace 1104 implementation board respectively.

Shivakumar E G, Gopakumar K, Sinha S K , et al. Space vector PWM control of dual inverter fed open-end winding induction motor drive[C]. IEEE Sixteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2001(1):399-405.

[本文引用: 1]

Junha Kim, Kwanghee Nam . Dual inverter control strategy for high speed operation of EV induction motors[C]. IEEE 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, 2002(1):163-168.

[本文引用: 1]

Yoshitaka Kawabata, Motoshi Nasu, Takuya Nomoto , et al.

High-efficiency and low acoustic noise drive system using open-winding AC motor and two space-vector-modulated inverters

[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002,49(4):783-789.

DOI:10.1109/TIE.2002.801059      URL     [本文引用: 1]

Somasekhar V T, Baiju M R, Mohapatra K K , et al. A multilevel inverter system for an induction motor with open-end windings[C]. 28th Annual Conference of the Industrial Electronics Society, 2002(2):973-978.

[本文引用: 1]

Brian A,

Welchko. A double-ended inverter system for the combined propulsion and energy management functions in hybrid vehicles with energy storage

[C]. IEEE Thirty-First Annual Conference of the Industrial Electronics Society, 2005.

[本文引用: 1]

Kwak MuShin, Sul SeungKi.

Flux weakening control of an open winding machine with isolated dual inverters

[C]. Industry Applications Conference, 2007: 251-255.

[本文引用: 1]

Kwak MuShin, Sul SeungKi .

Control of an open-winding machine in a grid-connected distributed generation system

[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008,44(4):1259-1267.

DOI:10.1109/TIA.2008.926298      URL     [本文引用: 1]

Wang Yang, Lipo Thomas A, Pan Di.

Half-controlled-converter-fed open-winding permanent magnet synchronous generator for wind applications

[C]. 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, 2010: 123-126.

[本文引用: 2]

/

〈 〉