开绕组永磁同步电机双变换器串联补偿运行与协调控制研究

This project aims to the electric traction system with the limited power source, studies the series compensation and coordinate control of the dual converter open winding permanent magnet synchronous machine system powered by a voltage source and a floating capacitor. Specifically focus on: the characteristics and modeling analysis of the dual converter system, series compensation of the power and harmonic, system operation region extension, high performance dynamic torque/power control strategy, the control target setting of dual converter and goal between and the flexible control switching strategy of multiple control objective under different operation condition, and the fault tolerant control algorithm and its performance optimization strategy.The project will break through the traditional structure and theoretical framework of the original single converter based motor drive, also different from the power distribution and high power purpose of the two converters in the most exsting open winding motor system. This project introduce the series compensation concept to the small scale motor drive system, use the converter coneected to the power source to control the motor and the converter connected to the floating capacitor to supply the reactive power and harmonic, in order to obtain better efficiency, broader speed operation range, better control performance and higher reliability. This research will surpass the international level in theory, and, in practice, it pointed out a way to slove the key technology of the traction system with only one power supply with limited rating. The project is of important significance for upgrading the the existing motor drive system and enhancing the international competitiveness of the related industrial products.

本项目以有限电源下的电力牵引系统为应用背景，对电源与电容双端供电的双变换器开绕组永磁同步电机的串联补偿运行及协调控制进行研究。具体包括：双变换器系统的完整精确模型，功率和谐波的串联补偿，运行区域的扩展，高性能的动态转矩/功率协调控制策略，多工况下不同控制目标间的动态柔性切换以及系统的容错运行方案。本项目的研究突破了单变换器电机系统的传统结构和理论框架，也不同于常规开绕组电机中两变换器功率分配的目的，而是将串联补偿思想引入小型电机系统，两个变换器分别用于实施高性能电机控制和进行功率、谐波的串联补偿，以获更高运行效率、更宽调速范围、更优控制性能和更高可靠性。本研究在理论上具有赶超国外先进水平的学术意义，在实践上为仅存在单一供电电源且容量有限的电力牵引系统中电机控制的共性关键科学问题的解决提供了一条有效且可行的技术途径，对现有电机驱动产品的升级换代和相关产业国际竞争力的提升具有很重要的现实意义。

本项目以有限电源下电力牵引系统为应用背景，对双变换器驱动开绕组永磁同步电机串联补偿运行和协调控制关键技术进行了研究，具体包括：混合逆变器串联补偿控制策略、双变换器高性能协调控制以及混合逆变器容错控制策略的研究。利用双逆变器拓扑结构中的补偿逆变器提供无功补偿，实现混合逆变器驱动系统的矢量控制与直接转矩控制方案，解决了有限电源条件下永磁同步电机弱磁扩速能力提升困难的问题。针对双逆变器驱动系统开关器件较多、损耗较大的问题，提出了双逆变器低开关频率混合调制方案，结合基于混合调制的弱磁控制策略，提高了有限电源下永磁同步电机弱磁运行的效率和直流母线电压利用率。针对双变换器分别调制的复杂性及耦合问题，提出了双变换器简化的统一调制方案，解决了分别独立调制易出现电压尖峰、输出谐波变大的难题。针对逆变器开关器件故障后系统性能变差甚至必须停机的问题，提出了单个变换器故障下开绕组永磁同步电机六、四开关变换器混合驱动的容错运行方式以及四开关变换器的自适应脉宽调制和简化模型预测控制策略，确保电机系统在变换器故障下的高容错运行。本研究在理论上具有赶超国外先进水平的学术意义，在实践上为仅存在单一供电电源且容量有限的电力牵引系统中电机控制的共性关键科学问题的解决提供了一条有效可行的技术途径，对现有电机驱动产品的升级换代和相关产业国际竞争力的提升具有重要现实意义。本项目的研究对推进开绕组电机系统理论体系的完善有重要学术意义，同时为有限电源下电力牵引系统提供了有效可行的电机系统及控制的关键技术，具有重要的工程现实意义。