基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法及设备

技术领域

本发明涉及船舶直流综合电力推进技术领域，特别涉及一种基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法及设备。

背景技术

近些年，采用直流电制的船舶综合电力推进系统成为了研究热点，在船舶直流综合电力推进系统方面处于国际领先地位的主要是一些电气设计和制造企业，如ABB、西门子、EMS等公司。E-MS最早推出的E-PP直流电网系统解决方案采用异步发电机和IGBT全控整流器的组合，直流母排的配置采用集中式布置。2009年，E-PP直流电网系统方案最早应用于“RCV Viking Legend”号游船上，到目前为止，已成功应用于50多艘电力推进船舶上。2011年，ABB推出的Onboard DC Grid船载直流电网配电系统技术方案采用同步发电机和基于晶闸管结构的整流器组合，直流母排采用分布式配置并贯穿整个船体，整流器和逆变器均就近和对应的发电机及电动机连接。西门子推出的Blue Drive Plus C直流电网系统解决方案则是将晶闸管结构的整流器整合到同步发电机组中，直流母排采用集中式配置，能够有效提高了系统的集成度。

采用船舶直流综合电力推进的系统中存在输入滤波器与电力电子变换器级联的情况。而级联现象容易引起系统谐振，造成变换器输入输出电压高频振荡影响整个船舶的用电安全。因此，需要建立船舶电力推进系统的阻抗建模，对其进行稳定性分析。

目前，船舶电力推进系统主要采用以下2种推进单元，分别是以变频驱动器-异步电动机作为推进单元，和以变频驱动器-永磁同步电机作为推进单元。如图1所示，相比于异步电动机，永磁同步电机的矢量控制比较简单，d轴的参考电流恒等于零，且永磁同步电机的转子为永磁体，因此永磁同步电动机的物理方程式较为简单，因此变频驱动器-永磁同步电机的输入阻抗是比较好求解，也是目前的主流形式。相较来说，异步电动机矢量控制较为复杂，d轴的参考电流不为零，且定子的电压方程包含转子分量，故变频驱动器-异步电动机求解起来较为复杂，但是异步电动机具有可靠性高、成本低廉的优势，因此，如何得到变频驱动器-异步电动机的输入阻抗求解方法是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

需要说明的是，公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

为解决现有技术的难题，本发明提出通过建立采用转子磁链定向的矢量控制异步电动机模型，结合小信号建模的方法解决变频驱动器-异步电动机的输入阻抗求解困难问题。

本发明的一实施例提供一种基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法，其包括下列步骤：S1、基于同步旋转坐标系，建立变频器功率平衡公式；S2、基于同步旋转坐标系，建立异步电动机的基尔霍夫电压公式；S3、基于同步旋转坐标系，建立变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制关系公式；S4、基于变频器功率平衡公式，获取变频驱动器功率平衡公式的小信号方程；S5、基于基尔霍夫电压公式，建立异步电动机的小信号方程；S6、基于矢量控制关系公式，建立变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程；S7、基于S5的异步电动机的小信号方程、S6的变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程以及根据异步电动机d轴和q轴电压小信号评估实际d轴和q轴电压中的直流母线电压波动所得到的关系式，建立变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式；S8、基于S4的变频驱动器功率平衡公式的小信号方程、S5的异步电动机的小信号方程和S7的变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式，得到变频驱动器和异步电动机之间的输入导纳方程，最后根据输入导纳方程得到输入阻抗方程。

在一些实施例中，S1中的变频器功率平衡公式为：

其中，v

在一些实施例中，S2中的基尔霍夫电压公式为：

其中，R

在一些实施例中，S3中的矢量控制关系公式为：

和/>

在一些实施例中，在S4中，通过对S1的变频器功率平衡公式施加小信号扰动以获取变频驱动器功率平衡公式的小信号方程，S4中的变频驱动器功率平衡公式的小信号方程为：

其中，V

在一些实施例中，在S5中，通过对S2的基尔霍夫电压公式施加小信号扰动以获取异步电动机的小信号方程，S5中的异步电动机的小信号方程为：

在一些实施例中，在S6中，通过对S3的矢量控制关系公式施加小信号扰动以获取变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程，S6中的变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程为：

在一些实施例中，在S7中，首先，根据异步电动机d轴和q轴电压小信号评估实际d轴和q轴电压中的直流母线电压波动，得到如下关系式：

然后，联立公式(5)、(6)、(7)，得到变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式：

在一些实施例中，在S8中，先联立公式(4)、(5)、(8)，以获取变频驱动器和异步电动机之间的输入导纳方程：

其中，N

然后根据公式(9)得到变频驱动器和异步电动机之间的输入阻抗方程：

本发明的一实施例还提供一种设备，其包括存储器和处理器。存储器用于储存嵌入式软件程序；处理器用于执行存储器中存储的嵌入式软件程序，且嵌入式程序被执行时实现如前述任一实施例的基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法的步骤。

综上所述，本发明一实施例提供的一种基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法及设备，通过建立采用转子磁链定向的矢量控制异步电动机模型，结合小信号建模的方法，能够精确获取系统的输入阻抗，便于对采用变频驱动器-异步电动机的船舶直流微电网进行阻抗稳定性分析，提高船舶直流微电网的稳定性。

本发明的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地特征和有益效果可以从说明书中显而易见地的得出，或者是通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他有益效果可通过在说明书等内容中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见的，下面描述中的部分附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是传统的采用转子磁链定向的永磁同步电动机矢量控制示意图；

图2是本发明一实施例提供的基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法的流程示意图；

图3是本发明一实施例提供的变频驱动器-异步电动机电路图；

图4是本发明一实施例提供的变频驱动器-异步电动机控制框图；

图5是变频驱动器-异步电动机的输入阻抗理论推导模型与仿真测量结果对比图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；下面所描述的本发明不同实施方式中所设计的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。另外，术语“包括”及其任何变形，皆为“至少包含”的意思。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸的连接，或一体成型的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

请参阅图2、图3和图4，图2是本发明一实施例提供的基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法的流程示意图，图3是本发明一实施例提供的变频驱动器-异步电动机电路图，图4是本发明一实施例提供的变频驱动器-异步电动机控制框图。本发明的一实施例提供一种基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法。如图2中所示，该获取输入阻抗方法包括下列步骤：

S1、基于同步旋转坐标系，建立变频器功率平衡公式。

S2、基于同步旋转坐标系，建立异步电动机的基尔霍夫电压公式。

S3、基于同步旋转坐标系，建立变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制关系公式。

S4、基于变频器功率平衡公式，获取变频驱动器功率平衡公式的小信号方程。

S5、基于基尔霍夫电压公式，建立异步电动机的小信号方程。

S6、基于矢量控制关系公式，建立变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程。

S7、基于S5的异步电动机的小信号方程、S6的变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程以及根据异步电动机d轴和q轴电压小信号评估实际d轴和q轴电压中的直流母线电压波动所得到的关系式，建立变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式。

S8、基于S4的变频驱动器功率平衡公式的小信号方程、S5的异步电动机的小信号方程和S7的变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式，得到变频驱动器和异步电动机之间的输入导纳方程，最后根据输入导纳方程得到输入阻抗方程。

具体来说，图3所示的结构为变频驱动器-异步电动机的电路结构，变频器将直流电转化为交流电，对异步电动机进行调速。然后，采用转子磁链定向的矢量控制方法结合小信号建模的方法(控制框图如图4所示)，来精确获取系统的输入阻抗。

根据变频驱动器-异步电动机电路结构，能够得到变频器直流侧与交流侧的功率平衡方程，即S1中的变频器功率平衡公式为：

其中，v

根据变频驱动器-异步电动机电路结构，能够得到同步旋转坐标系下的异步电动机基尔霍夫电压方程，S2中的基尔霍夫电压公式为：

其中，R

根据变频驱动器-异步电动机控制框图，能够得到同步旋转坐标系下的变频驱动器-异步电动机矢量控制关系式，即S3中的矢量控制关系公式为：

和/>

通过在稳态工作点(x

其中，V

考虑到异步电动机的驱动电压是由电流内环控制器确定，磁链外环控制器和转速外环控制器的带宽要小于电流内环带宽，故直流母线上的小扰动对异步电动机的磁链和转速影响较小。当异步电动机的电压方程在稳态工作点存在小扰动时，可以近似忽略异步电动机磁链和转速的影响。因此，通过对S2的基尔霍夫电压公式施加小信号扰动以获取异步电动机的小信号方程，S5中的异步电动机的小信号方程为：

在S6中，通过对S3的矢量控制关系公式施加小信号扰动以获取变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程，S6中的变频驱动器和异步电动机之间的矢量控制小信号方程为：

在S7中，首先，通过对异步电动机d轴和q轴电压小信号评估实际d轴和q轴电压中的直流母线电压波动，得到如下关系式：

然后，联立公式(5)、(6)、(7)，得到变频驱动器和异步电动机之间的中间关系式：

在S8中，先是联立公式(4)、(5)、(8)，以获取变频驱动器和异步电动机之间的输入导纳方程：

其中，N

然后，根据输入导纳公式(9)得到变频驱动器和异步电动机之间的输入阻抗方程：

其中，Z

如图5所示，图5为变频驱动器-异步电动机的输入阻抗理论推导模型与仿真测量结果对比图。由5图可知，采用本发明的获取输入阻抗方法所得到的输入阻抗理论推导模型与仿真测量结果基本一样，具有高准确性。

本发明的一实施例还提供一种设备，其包括存储器和处理器。存储器用于储存嵌入式软件程序；处理器用于执行存储器中存储的嵌入式软件程序，且嵌入式程序被执行时实现如前述任一实施例的基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法的步骤。

综上所述，本发明一实施例提供的一种基于同步旋转坐标系的变频驱动器-异步电动机的获取输入阻抗方法及设备，通过建立采用转子磁链定向的矢量控制异步电动机模型，结合小信号建模的方法，能够精确获取系统的输入阻抗，便于对采用变频驱动器-异步电动机的船舶直流微电网进行阻抗稳定性分析，提高船舶直流微电网的稳定性。

另外，本领域技术人员应当理解，尽管现有技术中存在许多问题，但是，本发明的每个实施例或技术方案可以仅在一个或几个方面进行改进，而不必同时解决现有技术中或者背景技术中列出的全部技术问题。本领域技术人员应当理解，对于一个权利要求中没有提到的内容不应当作为对于该权利要求的限制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。