一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法与流程

1.本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法。


背景技术：

2.当三级发电机工作在低速大负载情况下，磁场的逐渐饱和将会同时带来气隙磁场的畸变程度愈发严重，而且逆变器的死区时间以及igbt和电力电子元件的压降不理想，也将导致三级发电机驱动系统中产生大量的电流谐波，它将影响三级发电机在高性能要求中的工程应用。因此，定子电流的谐波抑制一直受到电机领域学者的关注并对实际工程应用具有重要意义。
3.现有技术方案包括：电机本体优化领域：对定子齿宽、转子极宽、定子轭厚、转子轭厚对优化目标的影响程度进行了分析。利用该方法，建立了一种基于不同参数化的电机各结构对其工作特性影响的权重矩阵，从而确定了该电机各结构参数的最佳配置方案。
4.从电机本体设计优化的角度进行分析，电流谐波的减少需要进一步削弱气隙磁场的畸变程度使其尽可能达到正弦分布，但这种方法不仅提升了电磁设计环节的复杂性还对机械环节的稳定性带来了未知的挑战，若加工成实物则需要依赖高超的电机制造工艺。
5.电机控制领域：目前，电流谐波抑制方法主要有两种：前馈补偿抑制谐波法和高性能控制器抑制谐波法。
6.①
通过前馈补偿抑制谐波是一种常用的方法。前馈的谐波抑制方法中具有代表性的是pi(proportional integral，pi)控制，其调节器的框架简单，通过对电流谐波信号的提取，并将其注入到电压信号中，从而抑制电机电流中的5，7次谐波。
7.前馈补偿方法使用坐标变换将基波信号转换为dc量，这种方法具有明显的抑制效果，但过于依赖低通滤波器的性能，此外，低通滤波器在更广泛的频带中会产生相位滞后效应。多重比例积分(pi)控制器会在参数整体环节中引入大量的复杂计算，并且其模型精度低，所以pi控制器跟踪交流信号的稳态误差也很大，导致谐波抑制能力不足以达到我们的预期效果。
8.②
高性能控制器抑制谐波法中经典代表有pr(proportional resonance，pr)控制，比例谐振(pr)控制器在共振频率下的理论增益是无限的，并且可以对一定的频率进行控制，因此被广泛地用于并网逆变器的谐波抑制中。
9.通过pr控制系统的共振特征，提高了系统对某些特殊谐波的抑制能力，达到了较好的控制效果。但控制器的复杂度也在不断提高，并且此方法对于单一频率的谐波抑制能起到的效果并不能拓展应用到更宽频带中。


技术实现要素：

10.本发明主要解决三级发电机定子电流高次谐波的问题；提供一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，首先，电流环控制器采用线性自抗扰控制器(ladrc)，线性扩展状态观测器(leso)用于估计扰动信号。在频域中研究了谐波抑制性能。其次，利用三参数陷波滤波器(tnf)对特定频率的谐波信号进行提取和前馈补偿，进一步削弱了中、低频电流谐波对电机性能的影响。
11.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，包括以下步骤：建立三级发电机的数学模型，分析发电机电流的谐波特性；在电流环中采用包括线性扩展状态观测器的线性自抗扰控制器；利用三参数陷波滤波器对陷波的中心频率的谐波信号进行提取和前馈补偿。
12.与传统电流环控制器相比，自抗扰控制器比传统控制器具有更好的谐波抑制能力，结构简单，能抑制整个频段的谐波。自抗扰控制器具有更强的鲁棒性电流谐波抑制能力，增加线性自抗扰控制器(ladrc)的观测器带宽可以增强其对谐波的抑制能力，通过提高自抗扰控制器的阶数，可以提高控制器对低频电流谐波的观测能力。三参数陷波滤波器能更好提取特定谐波分量，经过前馈补偿后，电流畸变率进一步降低。并且前馈补偿方法还利用坐标变换将基波信号转换成直流量，然后将谐波信号前馈，抑制效果明显。将三参数陷波滤波器(tnf)前馈补偿方法与ladrc相结合。该方法在不增加观测器带宽的情况下，进一步降低了5次和7次电流谐波。因此，该方法能有效地抑制定子电流中的谐波含量，有利于电机的稳态运行。当使用本方案adrc+tnf谐波抑制法时具有最低的总谐波失真。
13.作为优选，所述的线性自抗扰控制器包括线性扩展状态观测器和控制规律，线性扩展状态观测器估计驱动系统的干扰信号，控制规律对干扰进行补偿。
14.leso的主要功能是估计驱动系统的干扰信号，而控制律的运行则是对干扰进行补偿。
15.作为优选，所述的线性自抗扰控制器表示为：作为优选，所述的线性自抗扰控制器表示为：其中，z1为x1的估计值；z2为x2的估计值；β1和β2为观察者参数；y为输出；lq为电感的交轴分量。
16.作为优选，所述的控制规律表示为：u0＝k
p
(r-z1)其中，k
p
为传递系数，r为系统输入初始量；
拉普拉斯变换后，s为拉普拉斯算子，状态变量的估计值写成：其中，z1为x1的估计值；z2为x2的估计值；β1和β2为观察者参数；y为输出；lq为电感的交轴分量。
17.作为优选，输出y对电流环路扰动δc和噪声扰动δ0的传递函数表示为：其中，δc为电流环路扰动；δ0为噪声扰动；ω0为频率。
18.自抗扰控制器在中频带具有较低的抑制电流干扰的能力，通过增加观测器带宽可以提高扰动抑制能力，可以更好地抑制中频干扰。
19.作为优选，所述的三参数陷波滤波器的传递功能表示为：其中，f为tnf的中心频率；kd是表示tnf在中心频率处的振幅衰减程度的参数；kw是与凹口宽度相关的参数；确定陷波的中心频率后，通过调节kd和kw来调整陷波滤波器的性能。
20.通过调节kd和kw，陷波滤波器可以对陷波中心频率处的信号有较强的抑制作用，并且可以应对频率偏转。
21.作为优选，将三参数陷波滤波器减去的信号与0比较后，送入pi电流谐波调节器，产生电压补偿信号u
′d和u
′q，表示为：，表示为：
其中，i
d1
和i
q1
是陷波滤波器的输出信号；id2和i
q2
是实际的反馈信号；和是减去实际信号和陷波器后的值。
22.本发明的有益效果是：1.自抗扰控制器比传统控制器具有更好的谐波抑制能力，结构简单，能抑制整个频段的谐波。
23.2.自抗扰控制器具有更强的鲁棒性电流谐波抑制能力，增加线性自抗扰控制器(ladrc)的观测器带宽可以增强其对谐波的抑制能力，通过提高自抗扰控制器的阶数，可以提高控制器对低频电流谐波的观测能力。
24.3.三参数陷波滤波器能更好提取特定谐波分量，经过前馈补偿后，电流畸变率进一步降低。并且前馈补偿方法还利用坐标变换将基波信号转换成直流量，然后将谐波信号前馈，抑制效果明显。
25.4.将三参数陷波滤波器(tnf)前馈补偿方法与ladrc相结合，在不增加观测器带宽的情况下，进一步降低了5次和7次电流谐波。能有效地抑制定子电流中的谐波含量，有利于电机的稳态运行。
附图说明
26.图1是本发明的一种前馈补偿部分的原理框图。
27.图2是本发明的一种双闭环系统示意图。
具体实施方式
28.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
29.实施例：本实施例的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，包括：建立理想条件下控制模式id＝0的三级发电机的数学模型，其直交轴(dq轴)上的电压方程表示为：其中，id为定子电流的直轴(d轴)分量；iq为定子电流的交轴(q轴)分量；ud为定子电压的直轴(d轴)分量；uq为定子电压的交轴(q轴)分量；ld为电感的直轴(d轴)分量；lq为电感的交轴(q轴)分量；rs表示为定子电阻；
ωe表示为电角速度；表示为磁通量。
30.由于逆变器的非线性和电子元件的非理想性，上述三级发电机的数学模型中存在高次谐波分量，ud和uq会与交流分量混在一起。
31.当n＝6k+1(k＝1，2，3
…
)时，谐波的转动方向与基波电流的转动方向相同；当n＝6k-1(k＝1，2，3
…
)时，谐波电流的旋转方向与基频的旋转方向相反。
32.三相电流如下：三相静止坐标与dq坐标变换后，主谐波可以表示为：式中，ik和θk表示为振幅和初始相位角。
33.由上式可知，基波为直流分量，第5次谐波和第7次谐波均为第6次交流信号。
34.建立如图2所示的三级发电机双闭环系统，其控制框图如图2所示。u
dk
为母线电压，为反馈信号，θ为电机的电角度。
35.矢量控制的电流环是一阶系统，因此本实施例使用了相同阶的线性自抗扰控制器(ladrc)。如图1、图2所示，ladrc包括线性扩展状态观测器(leso)和控制规律。
36.对于q轴电流环，可以写成：其状态空间在x轴、y轴上可以写成：其中，x(t)＝[x1(t) x2(t)]
t
b＝[b
0 0]
t
c＝[0 1]
t
e＝[1 0]f包含电流扰动和非耦合扰动。x(t)是表示在x轴方向上的函数组，x1为x(t)的行相量表达式，x2为x(t)的列相量表达式。
[0037]
x1＝iqx2＝f控制器的增益可以表示为：u＝uqleso可以表示为：其中，z1为x1的估计值；z2为x2的估计值；β1和β2为观察者参数；y为输出。
[0038]
根据控制策略，β1＝2ω0；
[0039]
leso的主要功能是估计驱动系统的干扰信号，而控制律的运行则是对干扰进行补偿。这样，可以将三级发电机视为一个纯积分环节，比例系数可用于无静态误差的跟踪。控制规律如下：u0＝k
p
(r-z1)其中，k
p
为传递系数，r为系统输入初始量。
[0040]
对上式进行拉普拉斯变换后，s为拉普拉斯算子，状态变量的估计值可以写成：令电流环路扰动用δc表示，噪声扰动为δ0，频率用ω0表示，输出y对电流环路扰动δc和噪声扰动δ0的传递函数表示为：
自抗扰控制器在中频带具有较低的抑制电流干扰的能力，通过增加观测器带宽可以提高扰动抑制能力，可以更好地抑制中频干扰。
[0041]
dq轴上的第5次和第7次谐波成为第6次谐波分量，因此使用陷波滤波器滤除第6次谐波分量，并对被控对象的反馈信号进行处理，提取第6次谐波。然而，传统陷波滤波器的陷波宽度和陷波深度相互耦合，限制了陷波滤波器的滤波能力。而三参数陷波滤波器(tnf)可以独立调节陷波滤波器的中心频率、中心频率处的幅值衰减和陷波宽度。tnf的传递功能可以表示为：其中，f为tnf的中心频率，等于基频的6倍。
[0042]
kd是一个与陷波深度相关的参数，表示tnf在中心频率处的振幅衰减程度。
[0043]kw
是与凹口宽度相关的参数，表示幅值下降3db时凹口宽度。确定陷波的中心频率后，通过调节kd和kw来调整陷波滤波器的性能。
[0044]
通过调节kd和kw，陷波滤波器可以对陷波中心频率处的信号有较强的抑制作用，并且可以应对频率偏转。
[0045]
在陷波滤波器之后，输出信号中的第6次谐波分量被降低。
[0046]id1
和i
q1
是陷波滤波器的输出信号。
[0047]id2
和i
q2
是实际的反馈信号。
[0048]
和是减去实际信号和陷波器后的值。
[0049]
将减去的信号与0比较后，送入pi电流谐波调节器，产生电压补偿信号u
′d和u
′q，可以表示为：以表示为：以表示为：本实施例的方案与传统电流环控制器相比，自抗扰控制器比传统控制器具有更好的谐波抑制能力，结构简单，能抑制整个频段的谐波。自抗扰控制器具有更强的鲁棒性电流谐波抑制能力，增加线性自抗扰控制器(ladrc)的观测器带宽可以增强其对谐波的抑制能力，通过提高自抗扰控制器的阶数，可以提高控制器对低频电流谐波的观测能力。
[0050]
三参数陷波滤波器能更好提取特定谐波分量，经过前馈补偿后，电流畸变率进一步降低。并且前馈补偿方法还利用坐标变换将基波信号转换成直流量，然后将谐波信号前
馈，抑制效果明显。
[0051]
将三参数陷波滤波器(tnf)前馈补偿方法与ladrc相结合。该方法在不增加观测器带宽的情况下，进一步降低了5次和7次电流谐波。因此，该方法能有效地抑制定子电流中的谐波含量，有利于电机的稳态运行。当使用本实施例的ladrc+tnf谐波抑制法时具有最低的总谐波失真。
[0052]
应理解，实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。

技术特征：
1.一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：建立三级发电机的数学模型，分析发电机电流的谐波特性；在电流环中采用包括线性扩展状态观测器的线性自抗扰控制器；利用三参数陷波滤波器对陷波的中心频率的谐波信号进行提取和前馈补偿。2.根据权利要求1所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，所述的线性自抗扰控制器包括线性扩展状态观测器和控制规律，线性扩展状态观测器估计驱动系统的干扰信号，控制规律对干扰进行补偿。3.根据权利要求2所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，所述的线性自抗扰控制器表示为：所述的线性自抗扰控制器表示为：其中，z1为x1的估计值；z2为x2的估计值；β1和β2为观察者参数；y为输出；l
q
为电感的交轴分量。4.根据权利要求2或3所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，所述的控制规律表示为：u0＝k
p
(r-z1)其中，k
p
为传递系数，r为系统输入初始量；拉普拉斯变换后，s为拉普拉斯算子，状态变量的估计值写成：其中，z1为x1的估计值；z2为x2的估计值；β1和β2为观察者参数；y为输出；l
q
为电感的交轴分量。5.根据权利要求4所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，输出y对电流环路扰动δ
c
和噪声扰动δ0的传递函数表示为：
其中，δ
c
为电流环路扰动；δ0为噪声扰动；ω0为频率。6.根据权利要求1或5所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，所述的三参数陷波滤波器的传递功能表示为：其中，f为tnf的中心频率；k
d
是表示tnf在中心频率处的振幅衰减程度的参数；k
w
是与凹口宽度相关的参数；确定陷波的中心频率后，通过调节k
d
和k
w
来调整陷波滤波器的性能。7.根据权利要求6所述的一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法，其特征在于，将三参数陷波滤波器减去的信号与0比较后，送入pi电流谐波调节器，产生电压补偿信号u
′
d
和u
′
q
，表示为：，表示为：，表示为：其中，i
d1
和i
q1
是陷波滤波器的输出信号；i
d2
和i
q2
是实际的反馈信号；和是减去实际信号和陷波器后的值。

技术总结
本发明公开了一种用于抑制三级发电机电流谐波的控制方法。为了克服三级发电机定子电流高次谐波的问题；本发明采用电流环控制器采用线性自抗扰控制器，线性扩展状态观测器用于估计扰动信号，在频域中研究了谐波抑制性能。利用三参数陷波滤波器对特定频率的谐波信号进行提取和前馈补偿，进一步削弱了中、低频电流谐波对电机性能的影响。流谐波对电机性能的影响。流谐波对电机性能的影响。


技术研发人员：武新章 潘建臣 张冬冬 郭平辉 刘彦 荣存浩
受保护的技术使用者：浙江超精电机科技有限公司
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/9/23