基于四分之一周期延時法提取5/7次dq諧波分量

王昌壘 吳文菊

摘要：針對現有低速永磁發電系統電機存在5/7次諧波的控制問題，提出了一種基于四分之一周期延時法進行5/7次諧波dq軸分量的分解方法，并建立Matlab/Simulink仿真模型驗證方法正確性，該方法已成功應用到工程實際中，控制效果顯著。

關鍵詞：四分之一周期延時法;5/7次諧波;仿真模型;

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-0924 （2022） xx-xxxx-x

0 引言

常見的鼠籠異步發電機和雙饋異步發電機由于存在齒輪箱，雙饋異步發電機還存在碳刷和滑環，使得系統成本高、可靠性差、維護量大等問題，并且低負荷運行時，效率較低，特別是隨著單機容量的增加，問題更加突出，直驅和無刷化越來越受到人們的關注。因此，基于直驅永磁發電機的風電機組越來越成為大功率發電機組的首選方案[1]。永磁同步電機（permanent magnet synchronous motor，PMSM）在本體結構上，由于工藝偏差、齒槽效應以及轉子永磁體結構缺陷等，引起電機本體氣隙磁場畸變，導致電機反電動勢波形畸變，主要表現為5次和7次諧波。在變流器驅動方面會存在死區時間和管壓降的影響[2]，這兩個方面會引起6k±1（k 為自然數）次電壓諧波。無論是電機反電動勢諧波還是逆變器輸出的電壓諧波，諧波幅值均隨諧波次數增大而衰減，因此主要考慮5、7次諧波，更高次諧波忽略不計。從系統控制策略角度，利用諧波補償算法來抑制電流諧波，主要電流諧波抑制策略有諧波電壓補償多旋轉PI控制、比例諧振（Proportional resonant，PR）控制、復矢量PI（Complex vector PI，CVPI）控制、重復控制（Repetitive Control，RC）、自抗擾控制（Active Disturbance Rejection Control， ADRC，其中PR控制容易引起系統諧振，RC和ADRC控制算法較為復雜，諧波電壓補償多旋轉PI控制[3]易于工程實現。多旋轉PI控制的核心是能夠準確分離出5次和7次諧波在各自坐標系下dq軸電流分量，傳統的方法是通過低通濾波的方法提取5次和7次諧波分量，該方法存在延時大不準確的情況，本論文通過分析提出了一種基于四分之一周期延時法[4]分解5次和7次諧波dq軸分量的方法。

1 5次和7次諧波分離原理

在PMSM 穩態運行中，因氣隙磁場畸變、逆變器管壓降和死區時間等因素，導致電機電流波形畸變，使其含有5、7、11、13 次等一系列諧波分量。這些諧波電流分量，會導致電機轉矩脈動，其中5、7 次諧波電流分量對電機運行影響較大，會導致電機電磁轉矩產生6 次脈動。本文以永磁同步電機為研究對象，探索一種5次和7次諧波分離的方法。在PMSM靜止三相坐標軸系下，5次諧波電壓向量旋轉方向與基波向量旋轉方向相反，旋轉速度為5w。7次諧波電壓向量旋轉方向與基波電壓向量旋轉方向相同，旋轉速度為7w。假設PMSM三相電壓僅含有5、7次諧波，電壓方程可以表示為：

從而獲得了5次和7次諧波的dq軸分量。

2 仿真驗證5/7次諧波dq分量提取方法

搭建simulink仿真模型，電壓源采用matlab自帶的Three-Phase Programmable Voltage Source模塊，設置電網線電壓有效值為690V，頻率50Hz，在1-1.1s期間加入10%的5次負序諧波電壓，20%的7次正序諧波電壓，mexC函數按照5/7次提取原理進行編程，將結果輸出到示波器，從仿真中得到7次諧波的dq軸分量為13和-137.5，均方根為138.1（20.02%電網電壓幅值，與電網模塊設置一致），5次諧波dq軸分量分別為68.7和6.26，均方根為68.98（10.00%電網電壓幅值，與電網模塊設置一致），從仿真可以看出該方法是有效的。

3 結束語

本論文提供了一種5/7次諧波dq軸分量提取方法，通過理論推導和仿真驗證了方法的正確性，目前該方法已在直驅變流器控制中得到應用，能夠有效地降低機側5、7次諧波電流，該方法具有很強的工程價值。

參考文獻

[1] 薛玉石，韓力，李輝. 直驅永磁同步風力發電機組研究現狀與發展前景[J]，電機與控制應用，2008，35（4）.

[2] 廖勇，姚駿，楊順昌.交流勵磁發電機勵磁電源管壓降引起的諧波及其消除方法的研究[J].中國電機工程學報，2004，24（4）：151-156.

[3] 廖勇，甄帥，劉刃，姚駿.用諧波注入抑制永磁同步電機轉矩脈動[J]. 中國電機工程學報，2011，119-127.

[4] 楊西全，陳歡.一種電網電壓或電流正序分量及負序分量分離方法及裝置.中國，201310060986.7[P].2015-08-05.

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