中国矿业大学郑长明、董萱萱 等：基于虚拟电阻有源阻尼的LC滤波型永磁同步电机系统预测电流控制

阅读提示：本文约 1600 字

在远距离供电和宽禁带SiC基逆变器馈电的永磁同步电机驱动领域中，由动力电缆行波反射造成的机端过电压问题将愈加严峻，通常需加装输出LC滤波器来改善。然而，LC滤波器的引入增大了系统复杂度，且其会产生谐振峰而影响系统稳定性。 针对上述问题，中国矿业大学电气工程学院研究人员提出了LC滤波型永磁同步电机驱动系统的一种基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制策略，以提升系统运行稳定性。

研究背景

在深井煤炭开采、深海石油钻井及新兴宽禁带SiC基逆变器场合下的永磁同步电机驱动系统中，其动力电缆引起的行波反射效应较常规驱动系统将大大加剧，进而造成严重的电机过电压和绝缘老化等问题。

一种有效解决方案是在逆变器输出侧安装LC滤波器，构成LC滤波型永磁同步电机（LC-PMSM）驱动系统。然而，LC滤波器与电机定子电感形成了LCL滤波结构，不仅增大了系统阶数，且其固有谐振峰将威胁系统运行稳定性。因此，探索LC-PMSM驱动系统的高性能电流控制策略尤为关键。

论文所解决的问题及意义

1）现有LC-PMSM系统电流谐振抑制方法多基于比例-积分控制框架，并辅以额外的LC滤波控制环，存在结构复杂、参数多和整定困难等问题。

2）现有LC-PMSM系统预测控制方法多基于有限控制集架构，存在稳态性能不佳、开关频率不固定、谐波谱分布范围广等问题，且尚未从解析角度分析系统闭环稳定性。

因此，研究结构一种简单、稳定性强的电流控制策略，可为加快研发国产化LC-PMSM电驱控制器提供理论基础。

论文方法及创新点

1、基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制

本文首先将PMSM的定子电流跟踪转化为电感电流跟踪，并设计了相应的无差拍预测控制器，实现了对定子电流的间接控制；其次，提出了一种基于滤波电容并联虚拟电阻的有源阻尼策略以抑制系统谐振，具有结构简单、参数少的优点，如图1所示。

图1 所提基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制框图

2、系统电流闭环稳定性分析

本文进一步构建了所提控制方法下的定子电流闭环z传函，并利用其对系统稳定性进行了理论证明。由图2可知，加入有源阻尼策略后，dq轴定子电流闭环极点全部移动至单位圆内，证明了所设计的控制策略能有效提升系统稳定性。

图2 加入有源阻尼前后的dq轴定子电流闭环极点图

3、实验验证

本文搭建了一台1.2 kW的LC-PMSM实验样机，以验证所提控制方法的可行性。实验样机及结果如图3所示。

图3 实验样机及系统稳态实验波形

结论

本文提出了LC-PMSM驱动系统的一种基于虚拟电阻有源阻尼的无差拍预测电流控制策略。结合上述理论分析和实验结果对比，可看出所提方案具有如下优势：1）结构简单，仅引入1个待设计参数，便于整定；2）能有效抑制LC-PMSM驱动系统的谐振，保证系统的运行稳定性；3）具有固定开关频率，大大方便输出LC滤波器的设计。

团队介绍

中国矿业大学电气工程学院电力电子电能变换与应用研究所拥有教授3名，副教授6名，讲师3名。主要研究方向为大功率电力传动及控制、高性能电力电子变换、本安技术及本安电源、防爆电气及控制等。

郑长明

讲师，硕士生导师。主要研究方向为永磁同步电机驱动、宽禁带储能变流器及电流源型变换器控制技术等。主持国家自然科学基金项目1项，参与国家自然科学基金面上项目3项，山东省科技发展、山东省重点研发计划项目3项。曾获“山东省优秀博士学位论文”、第六届国际电力电子与电机驱动预测控制会议“最佳学生论文奖”等奖励。发表学术论文30余篇。

公铮

副教授，博士生导师。江苏省优秀青年基金获得者，中国矿业大学优秀青年骨干教师，中国电源学会变频电源与电力传动专委会委员，主要研究方向为电力电子变换及控制、大功率交流传动、柔性直流输配电技术等。主持国家自然科学基金项目2项，中国博士后科学基金项目2项，江苏省自然科学基金项目2项；参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目10余项。发表学术论文30余篇，获授权发明专利20余件。

本工作成果发表在2023年第22期《电工技术学报》，论文标题为“基于虚拟电阻有源阻尼的LC滤波型永磁同步电机系统预测电流控制”。本课题得到国家自然科学基金面上项目和国家自然科学基金青年科学基金项目的支持。

引用本文

郑长明, 董萱萱, 肖子语, 阳佳峰, 公铮. 基于虚拟电阻有源阻尼的LC滤波型永磁同步电机系统预测电流控制[J]. 电工技术学报, 2023, 38(22): 6059-6069. Zheng Changming, Dong Xuanxuan, Xiao Ziyu, Yang Jiafeng, Gong Zheng. Virtual Resistance Active Damping Based Predictive Current Control of LC-Filtered Permanent Magnet Synchronous Motor System. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(22): 6059-6069.

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