基于无相移同步旋转滤波结构的绕组开放式发电系统无位置传感器控制
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王子禹 王宇 耿亮 肖文妍
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180381
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导语
绕组开放式多输入源发电系统具有结构简单、生产成本低等优点。为实现绕组开放式系统的无位置运行，提出一种基于无相移同步旋转滤波器法。通过对系统的电压电流关系分析，建立基于绕组开放式发电系统简化数学模型的滑模观测器。
分析传统同步旋转滤波结构中低通滤波器产生的相位滞后，论证直接同步旋转滤波算法的误差迭代问题，再将经典锁相方法产生的位置角用于传统同步旋转滤波器中的坐标变换，直接对滑模观测器输出进行滤波，得到一种具有无相位延迟优点的同步旋转滤波新结构。最后在一台基于永磁磁通切换电机的绕组开放式发电系统样机上进行实验，验证了该方法的正确性与有效性。
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研究背景所
在传统永磁同步电机无位置传感器滑模观测算法中，由滑模观测器中的切换函数以及逆变器的非线性引起的高次谐波会使反电动势产生估计误差，进而影响电机转子位置角估计精度，因此需要设计合适的滤波器滤除谐波，提高基波反电动势的观测精度。
针对滤波问题，两级滤波的滑模观测器结构可以得到更平滑，谐波更少的反电动势波形，但需要对二级低通滤波器产生的相位误差进行补偿。传统同步旋转滤波结构通过坐标变化与滤波能获得高正弦度的反电动势波形，提高反电动势观测精度，但由于前级采用一阶低通滤波器结构而存在相位延迟影响了位置估计精度。因此本文研究了一种基于传统同步旋转结构的新型同步旋转结构，以有效消除因一阶低通滤波器引起的相位延迟。
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论文所解决的问题及意义
针对绕组开放式发电系统的无位置运行，首先通过建立绕组开放式发电系统的数学模型，推导出相电压解析模型以获得滑模观测器中所需的相电压。然后通过对系统的电压电流关系，分析建立了基于绕组开放式发电系统简化数学模型的滑模观测器。最后为解决传统同步旋转滤波结构中低通滤波器带来的相位滞后问题，论证了同步旋转滤波结构中对滑模输出的低通滤波器存在的必要性，将传统锁相法与同步旋转滤波器结合，对滑模观测输出值直接进行同步旋转滤波，使得系统估计位置角具有无相移的优点。
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首先结合逆变侧与不控整流侧电压对端电压进行解算，能有效取代电压传感器，减小了系统体积；同时由于每个控制周期计算一次，也提高了端电压解算精度。
利用电流滑模观测器观测反电动势，而凸极电机由于dq轴电感不同，相较于隐极式电机观测模型更加复杂，增加系统计算量，因此对模型进行简化。同时，也在传统滑模观测法基础上建立了绕组开放式发电系统的滑动观测模型。
最后基于传统同步旋转滤波器结构，提出一种新型无相移同步旋转滤波器结构，将一阶低通滤波器的输出位置角用于坐标变换，再将滑模输出直接同步旋转滤波的方法以消除该相位误差。既能够对反电动势基波进行完整还原，也能有效抑制高次谐波。而相比于传统的同步旋转滤波结构，新结构可以直接对滑模输出进行滤波，具有无相移的优点，使位置角估计更加精确。
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结论
采用绕组开放式发电系统能有效减少功率器件，提高系统可靠性。为减小系统成本与体积，提高运行可靠性，实现系统的无位置运行十分重要。本文基于绕组开放式发电系统的模型提出电压解算公式，并提出了一种基于简化滑模观测器的无相移同步旋转滤波结构。
主要结论如下：
1）绕组开放式结构端电压不等于逆变器侧输入电压，需要结合逆变侧与不控整流侧电压对端电压进行解算，从而节省电压传感器并提高计算精度。
2）针对绕组开放式发电系统的三相电流幅相关系，提出一种消去直轴电感的简化反电动势模型，并分析了电机滑模观测器的稳定性条件。
3）分析了传统同步旋转滤波结构中因使用一阶低通滤波器而产生的相位延迟问题，并针对该问题提出了一种无相移同步旋转滤波结构，通过滤波后锁相环输出位置角，直接对滑模输出进行同步旋转滤波，从而消除了低通滤波器引起的相位滞后。
王子禹, 王宇, 耿亮, 等. 基于无相移同步旋转滤波结构的绕组开放式发电系统无位置传感器控制[J]. 电工技术学报, 2018, 33(12): 2713-2722.
Wang Ziyu, Wang Yu, Geng Liang, et al. Open Winding Generator System Sensorless Control Based on Zero Phase Shifting Synchronous Reference Frame Filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(12): 2713-2722.
作者简介
王宇（1982-），男，博士，副教授，研究生导师，IEEE senior member，IEEE Transaction on Industrial Electronics, IEEE Transaction on Power Electronics等国际期刊审稿人。
所领导团队研究方向包括交流电机的先进控制理论，全电多电飞机中的起动/发电机系统、电作动系统和新能源发电系统的拓扑结构与控制方法。主持基金16项，其中国家级基金2项，省部级基金4项。发表EI收录文章80余篇，SCI收录20余篇，申请中国国家发明30余项，已获得授权20余项。获得2013年江苏省优秀硕士论文，2015年江苏省优秀博士论文
王子禹（1995-），男，硕士研究生，研究方向是多输入源发电系统的建模与参数设计及其无位置传感器技术研究。
耿亮（1993-），男，硕士研究生，研究方向是容错型电机的容错控制策略及AC-DC变换器系统的非线性控制技术。
肖文妍（1993-），女，硕士研究生，研究方向是容错型电机的容错控制策略及其高性能动态控制算法实现。