多相变频调速技术的现状和发展方向

多相变频调速技术的现状和发展方向目前中大功率交流传动系统的用电量占所有电气传动系统用电量的70%，另外由于电压源型逆变器具有功率因素高的优点，所以采用中大容量电压源型逆变器的电气传动系统受到人们的特别关注[1]。但是由于电力电子功率器件功率等级的限制，目前两电平电压源型逆变器的功率等级还只限于大功率的低端[2]。为了实现大功率电压源型逆变器电气传动系统，多电平结构在供电电压为中高压的场合得到了广泛应用。但在供电电压本身受限制的大功率应用场合，例如水下舰船电力推进，则必须寻求其它的结构形式。此外人们对电气传动系统可靠性也提出了更高的要求，希望系统具有更好的容错运行能力。为了在较低电压下实现同样功率等级的交流传动系统，并提高系统可靠性，多相电机的变频调速系统作为大功率、高可靠性驱动系统的解决方案之一应运而生。在二十世纪80年代以前，当时的技术条件严重束缚了多相电机驱动系统的研究与应用。直到近二三十年来，现代电力电子技术、微电子技术和现代电机控制理论的迅速发展使得高性能多相电机驱动系统的实现成为可能，其优势才得以充分发挥，应用范围迅速扩大。例如在舰船推进中，全电力推进是今后舰船推进方式的发展趋势，而多相电机驱动系统的变频调速技术是其中的关键技术之一。对多相变频调速技术的研究必将大大促进我国舰船推进技术的发展。此外，多相电机变频调速技术也特别适合于应用在电动汽车、航空航天、军事、核反应堆供水等应用场合。2多相变频调速系统的优点实际上，多相技术与多电平技术可以看作是一个问题的两个方面。要输出同样的功率，或者提高电压、降低电流，或者降低电压、提高电流。多相变频调速系统的核心竞争力主要表现以下几个方面[3]：（1）在船舶电力推进，轨道交通等供电电压等级受限制的场合，采用多相电机驱动系统是实现低压大功率传动的有效途径。在多相系统中，因为降低电压而增大的电流被分配到增加的相绕组中，此时，驱动系统中的中大功率逆变器可以采用目前电流等级的功率器件就能实现，同时也避免了选用小电流功率器件并联引起的均流问题。而且，采用低压实现大功率还避免了功率器件串连带来的静态及动态均压问题。（2）由于相数冗余，当多相电机驱动系统中的电机或者多相逆变器的一相甚至几相发生故障时，可以将其断开，系统仍可输出一定功率。虽然增加相数理论上提高了系统发生故障的几率，但是发生故障后，驱动系统仍能继续工作，可靠性大大提高，因此多相电机驱动系统特别适合于高可靠性要求的场合，如潜艇动力系统、核电站水冷系统、战车驱动系统、航空航天等。（3）由于电机相数增加，输出转矩脉动减小、脉动频率增加，所以驱动系统低速特性得到很大的改善，振动和噪音大大减小。研究表明，相数越多，效果越好。因此，多相变频调速系统也特别适合用于大功率精密传动场合，如轧钢、造纸等。（4）与三相电机相比，多相电机有更多的控制资源和潜能。例如对于一台15相电机，当采用15相全桥供电时，电压空间矢量多达32768个，这在理论上为矢量控制和直接转矩控制等高性能的控制方法提供了充分的控制资源。（5）在某些场合采用多相变频调速系统可以降低成本。在大功率电机驱动系统中，多相逆变器可以采用低成本的低压IGBT，且器件不需直接并联或串联，对功率器件特性的一致性无要求；直流环节中采用低压电容，成本也远低于高压电容，而且直流电容的容量要远小于三相系统，因此按照目前的电力电子器件技术水平，采用多相变频调速技术，成本也会有较大程度的降低。国内外研究现状3.1国外研究历史及现状自从二十世纪80年代，以美国为代表的各发达国家的研究人员持续开展了对多相电动机变频调速技术的研究。在美国，有代表性的研究机构有威斯康星-麦迪逊大学(UniversityofWisconsin-Madison)、德州农机大学(TexasA&MUniversity)等。英、法、德、日、韩等国的研究人员也取得了丰硕的成果。相关的研究内容主要集中在以下几个方向：3.1.1多相变频调速系统的矢量控制策略;早期人们认为多相电机的矢量控制与三相电机类似，只要将三相/两相变换改为多相/两相变换就可以借用三相电机的磁场定向控制策略。但是实践表明，只控制d-q轴电流，在采用多步法或传统SVPWM控制时，电机定子电流中有较大的谐波电流[4]-[5]。这种做法忽视了推广派克变换中d-q以外其他平面内的电压矢量的作用，当这些电压矢量与较小的高次谐波自感相互作用，可以产生幅值很大的谐波电流。为了抑制电流谐波，Y.Zhao和T.A.Lipo等人于90年代中后期从矢量空间分解的角度出发提出了空间电压矢量分解控制方法，应用于绕组正弦分布相移30°的6相感应电机变频调速系统中[6]-[7]。该方法通过适当的坐标变化，将自然坐标系下六维空间中的电压矢量映射到新基下的六维空间，新的一组基形成三个相互正交的二维子空间，从而可以在每个子空间中控制电压矢量，而且每一个子空间中的分量对应于电机变量中一定次数的谐波。传统三相电机的矢量控制只需处理d-q空间的物理量，而在多相电机中，为了实现更好的控制效果，必须对谐波电流加以控制。6相感应电机的矢量控制系统框图如图1所示。可以看到，此时矢量控制中变换矩阵、电流调节器等组成部分都要由两维扩展到多维。那么随着相数的增加，必然会带来算法复杂度增加的问题。3.1.2多相电机容错控制故障运行和容错控制策略研究是多相电机驱动系统研究中的重要内容之一。T.M.Jahns[8]对多相冗余系统某一相开路和短路时电机的暂态和稳态进行了研究。研究结果表明一个适当冗余的多相系统，在损失一相定子绕组后，不会显著影响电机的平衡励磁，相数越多，缺相的影响越小。J.R.Fu、L.Parsa和Toliyat.H.A等将T.A.Lipo等将三相电机驱动系统容错控制中的方法推广到了五相电机驱动系统[9-11]，并提出了一种较为通用的容错算法。分析了电机发生故障后为了保持电机圆形气隙旋转磁场定子相电流要满足的条件，通过电流滞环控制实现电流的跟踪，实现了电机的无扰运行，控制框图如图2所示。Y.Zhao和T.A.Lipo等[12][13]采用空间电压矢量分解控制方法实现了缺一相时六相感应电机的的磁场定向控制。这种方法的主要思想是建立了非对称感应电机的多维解耦模型，通过解耦变换和非对称的旋转变化，将非对称的电机模型变换成了解耦的对称的电机模型，从而可以方便地使用对称情况下的电机矢量控制。3.1.3多相变频调速系统变流技术多相变频调速系统中人们研究较多的变流技术包括两个主要部分，一是脉宽调制技术，二是电流控制技术。（1）脉宽调制技术基于空间矢量分解的矢量控制策略由于要同时控制两个空间中的电流，必须采用多维的SVPWM方法才能实现。文献[6]中也给出了相应的SVPWM调制策略。但是这种方法一个开关周期内某一相桥臂上开关管重复开关，增加了开关损耗和实现的难度；之后，研究者们在这种方法的基础上作了很多改进，[13～15]利用z1-z2空间中的3次谐波电流成功地在5相永磁同步电机中注入了三次谐波电流，使得电流波形近似于方波，提高了电机的转矩密度。[18]在分析了多相桥式逆变器各个开关周期的稳态等效电路之后，得出了较为通用的选取SVPWM的电压矢量的方法，用这种方法可以保证在抑制除基波以外的其他高次谐波的同时获得最大的电压利用率，并且保证所有开关在一个采样周期内置开关一次。但这种方法仍未解决随着相数的增长，控制方法趋向复杂的问题。（2）均流技术在[18]中证明了在两个逆变器使用同一个参考电压矢量的情况下，在两套三相绕组的参数不相同的情况下，会导致6相电流不平衡，必须通过均流方法加以抑制。他们提出了一种同时引入两套三相绕组的定子电流反馈的方法来解决这一问题。这种方法虽然也采用磁场定向控制的常用方法计算参考电压矢量，但是计算后得到的值要根据每组三相绕组定子电流的反馈量进行调节。在分别引入了两组三相绕组的定子电流的反馈之后，特定工况下出现的6相电流不对称的情况有了很大改善，如图3。这种方法是一种解决三相电机驱动系统中由于参数所导致的电流不平衡的办法的推广，实际上提高了电流调节器的复杂程度。虽然目前可以在工程上解决电流不平衡现象，但对多相电机中该现象的产生原因和机理尚有待进一步研究。谐波电感在其中扮演的角色需要进一步明确。3.2国外工业应用概况在工程应用中，中大功率的多相电机变频调速系统得到了成功的应用。特别是在舰船电力推进领域，美、英、德等国投入巨资进行相关技术的研究，将其运用于下一代舰船电力推进系统中。美国海军于1986年提出“海上革命”计划，内容涉及综合电力推进和综合电力系统两种方案，及水面战舰与水下潜艇两方面的应用。表1为两个应用领域项目实施中选用的推进电机方案。美国“海上革命”计划中选用的典型多相推进电机英国海军自从“23”型护卫舰采用柴电－燃气轮机推进后，又提出了更适合护卫舰的综合全电力推进（IFEP）方案。在项目中采用了6相异步电机变频调速系统。德国西门子公司在大功率多相电机变频调速系统的商业化方面走得最远。该公司生产的经过特殊设计的12相永磁同步电机推进系统，已经批量装备在德国U212级，U214级常规动力潜艇上。西门子在电机-逆变器系统的集成设计方面做了大量工作，Permasyn系列[19]推进系统将逆变器安装在电机转子内部空间（如图4），大大减小了安装体积，提高了系统功率密度。3.3国内研发情况在国内，多相交流励磁机多年前就已得到实际应用[20]；多相交直流混合输出发电机的研究和应用也已经达到国际先进水平[20]，但是在多相传动领域的研究工作开展得比较晚。目前，中国船舶重工集团712研究所、武汉海军工程技术大学、华中科技大学、浙江大学、清华大学、中科院电工所、西安交通大学、北京凯奇公司以及哈尔滨工业大学等对多相电机传动系统都进行了大量的研究工作，取得的成果如下：武汉712研究所针对多相电机在舰船推进中的应用做了大量的研究工作，并开始了试验船的设计，推进电机为1MW的多相异步电机（成都佳灵电气制造有限公司做了次无名英雄，712的技术其实就是他们公司提供的13相变频器的翻版，制造中国注），针对大功率多相永磁同步电机的研究也已开展。华中科技大学、西安交通大学和北京凯奇公司在项目上有一定的合作，以数控机床等工业应用场合为背景对15相异步电机调速系统进行了研究[1]。整个调速系统采用转差型直接转矩控制，并将三相载波形PWM方法推广到多相。该方法也被应用到六相感应电机调速系统中，哈尔滨工业大学以离心机直接驱动系统的研制为背景，对15相无刷直流电机调速系统进行了研究[23]。他们对电机的故障运行进行了分析，提出了两种容错控制方法。为了能独立控制每相电流和实现容错控制，系统主回路采用了每相独立H桥的拓扑。浙江大学从上个世纪90年代起开始与武汉船舶重工712研究所合作研制六相200kW推进用永磁同步电机驱动系统。与上海电机厂合作进行大型舰船推进用十五相感应电机传动系统的研究。07年开始进行多相无轴承感应电机传动系统的研究。作者所在的中国科学院电工研究所电动汽车实验室在2005年已经研制出了25kW的5相永磁同步电机驱动系统，并通过3次谐波注入提高了电机的转矩密度[14]。在此基础上，进一步开展了对12、15相永磁电机变频调速系统的理论和实验研究工作。研制了可用于多相电机或多电机控制的基于FPGA技术的300kVA15相变频器，实物如图5所示。300kVA15相变频器总之，目前国内的技术水平和应用情况与国外相比有较大的差距，但近年来多相电机变频调速技术已引起了各方的高度重视。未来发展方向从国内外对多相变频调速系统的研发情况来看，未来一段时间，该领域主要的研究方向和发展趋势大致包括以下几点。（1）更实用的多相变频调速系统的控制方法在多相电机变频调速系统中不同谐波子空间中的变量影响着电机定子电流中谐波含量，因此要想提高控制性能必须对这些谐波精确加以控制。通常的做法是增加其他子空间中的电流调节器，扩展变换矩阵的维数。这样做的代价是提高了控制算法的复杂度，可能会增加硬件成本，导致控制性能恶化。因此，研究更加实用的多相变频调速系统