基于SOGI的船用永磁同步電機諧波電流抑制方法

張 浩，何忠祥，鄭海濱，吳昌浩

應用研究

基于SOGI的船用永磁同步電機諧波電流抑制方法

張 浩，何忠祥，鄭海濱，吳昌浩

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

受轉子磁體諧波、變頻器死區效應、導通壓降等因素的影響，船用永磁同步電機運行過程中氣隙磁場會產生畸變，導致定子電流含有大量特征諧波分量。本文通過引用改進型二階廣義積分器(SOGI)，可實現低頻諧波分量的提取，進而通過PI反饋調制，實現了輸出電流主導諧波成分的抑制。仿真分析驗證了該文理論分析和計算的正確性。

永磁同步電機 磁場諧波 二階廣義積分器

0 引言

隨著永磁材料性能的提高和現代自動控制技術的成熟，永磁推進電機以其高啟動轉矩、寬調速范圍的優點在船用電力推進領域的應用廣泛。受轉子磁體諧波、變頻器死區效應、導通壓降等因素的影響，船用永磁同步電機氣隙磁場中存在大量諧波分量；這導致輸出電磁轉矩中產生較大的脈動，影響電力驅動設備的聲隱身性能。

永磁同步電機推進系統采用轉速、電流雙閉環的矢量控制策略，變流器和電機各種非理想因素都會體現至定子諧波電流中。因此，研究定子諧波電流的提取和反饋控制具有重要的意義。結合考慮控制器帶寬、振動主導頻譜，目前的諧波電流抑制研究，主要集中在因逆變器死區和管壓降等因素引起的6次分量上[1-3]。本文首先給出永磁同步電機雙閉環矢量控制系統基本原理，然后分析逆變器死區和管壓降等非理想因素的諧波影響，進而結合二階廣義積分器SOGI[4]，通過PI反饋調制，實現了永磁同步電機低頻主導諧波成分的抑制，最后通過仿真驗證了本文理論分析的正確性和所提策略的有效性。

1 永磁同步電機矢量控制系統

為實現電機高性能控制，需要推導永磁同步電機的數學模型。不計磁路飽和、磁滯等效應的影響，考慮定轉子對稱分布，定子磁勢理想正弦分布，可建立永磁同步電機在旋轉兩相坐標系下的數學模型：

2 永磁同步電機諧波分析

受采樣計算頻率的影響，軟件僅能針對電機基頻及其倍頻諧波采取閉環控制。本文控制對象為因變流器非理想因素導致的低頻諧波主導分量。

由于開關管死區效應、導通壓降和最小脈寬等因素的影響。根據沖量守恒定律，逆變開關管平均誤差電壓表示為：

開關管非理想特性會造成輸出電壓基頻分量減小和高頻分量增加，使得電機靜止兩相坐標系下施加的電壓與期望電壓產生偏差。對式（4）電壓偏差進行頻譜分析，可知該非理想因素會導致定子電流中產生5次負序、7次正序諧波分量，進而導致旋轉坐標系下產生6次諧波分量，產生對應頻次的轉矩脈動。

3 基于SOGI的永磁同步電機諧波控制

為實現正弦交流信號的無靜差跟蹤控制，根據內模控制原理，控制器必須含有正弦信號的內模。為了降低頻率系統動態特性的影響，本文引入改進型二階積分器SOGI，系統結構為：

圖1 SOGI結構圖

該SOGI的傳遞函數為：

式(4)為二階帶通濾波器，其傳遞函數可以轉換為：

該SOGI波特圖如圖2所示，由此可得，該型控制器通帶寬，對頻率的依賴性不強。

圖2 不同SOGI增益下的bode圖

品質因數越大，陷波器窄帶濾波效果越好，性能越佳；但對頻率變化的敏感性也越強，因此，品質因數(控制器增益)需要根據電機頻率波動范圍和窄帶濾波效果綜合考慮。

為抑制交直軸的電流諧波，本文采用PI控制器和SOGI串聯的方法，如圖3所示。通過SOGI提取諧波電流，然后根據PI控制器得到需要補償的電壓。選擇低頻6次諧波分量作為控制輸入，擾動表達式為：

4 仿真與分析

為驗證本文理論分析的正確性和所提策略的有效性，運用Matlab/Simulink建立了基于SOGI的永磁同步電機諧波控制模型。該電機額定轉速為260 min，極對數為6，定子電阻為0.0188 Ω，交軸電感為1.02687 mH，直軸電感為0.9585 mH。，設置開關管延時導通死區為2 μs。

圖4 交直軸電流偏差輸入輸出對比波形圖

圖5和圖6分別為未采取基于SOGI的諧波控制和采取控制，轉矩電流iq反饋偏差FFT頻譜波形圖。從中可知，采取基于SOGI的諧波控制后，6倍頻諧波電流分量從1.351 A降低至0.1814 A，可顯著提高電力驅動設備的聲隱身性能。

圖5 無諧波控制下的轉矩電流偏差頻譜圖

圖6 諧波控制下的轉矩電流偏差頻譜圖

5 結論

本文通過分析轉子磁體諧波、變頻器死區效應、導通壓降等因素的影響，得到了低頻主導諧波含量，通過采用改進型二階廣義積分器(SOGI)，實現了諧波分量的無差別提取，進而通過PI反饋調制，實現了該諧波成分的抑制，最后，通過仿真驗證了該文理論分析和計算的正確性。

[1] 李帥, 孫立志, 劉興亞, 等. 永磁同步電機電流諧波抑制策略[J]. 電工技術學報, 2019, 34(S1): 87-96.

[2] 張海洋, 許海平, 方程, 等. 基于比例積分-準諧振控制器的直驅式永磁同步電機轉矩脈動抑制方法[J]. 電工技術學報, 2017, 32(19): 41-51.

[3] 廖勇, 甄帥, 劉刃, 等. 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, 31(21): 119-127.

[4] 李生民, 梁吉寧, 肖亞敏. 基于SOGI的PMSM諧波電流抑制方法研究[J]. 電力電子技術, 2019, 53(10): 67-70.

Harmonic current suppression method of marine PMSM based on SOGI

Zhang Hao, He Zhongxiang, Zheng Haibing, Wu Changhao

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP273

A

1003-4862（2022）12-0008-03

2022-08-22

張浩(1981-)，男，高級工程師。研究方向：電機與電器。E-mail: 237632488@qq.com