侯黎平 王兵 何孝祖

摘 要：分析傳統(tǒng)對拖測試平臺的負載能量利用情況的基礎(chǔ)上，搭建了一種直流互饋對拖測試系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)運行時，負載回饋能量在兩臺電機循環(huán)利用，大大降低了能耗。對拖測試系統(tǒng)中的變工況能量造成直流母線電壓的波動，采用超級電容和電阻混合控制處理不僅能夠吸收被測PMSM減速制動回饋能量，還能穩(wěn)定系統(tǒng)啟動加速階段造成的母線電壓跌落，使系統(tǒng)安全高效的運行。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機；互饋對拖；超級電容；能量回收

傳統(tǒng)的能量消耗型電機測試平臺不僅電能消耗成本太高，而且不能滿足大功率PMSM的城市道路工況測試要求。本文研究一種直流互饋的對拖交流傳動測試平臺能將負載PMSM再生發(fā)電能量回饋到直流母線，使回饋能量循環(huán)利用。這種基于電磁轉(zhuǎn)矩方式的無功耗負載測試系統(tǒng)，大大降低了能耗[1-3]。

直流互饋對拖測試系統(tǒng)中被測PMSM模擬城市道路工況存在頻繁起動、制動和加減速，變工況過程較大的瞬時能量會造成直流母線電壓波動。當被測PMSM減速制動時，再生制動運行會向直流母線回饋瞬時能量，會造成直流母線電壓快速泵升，若不及時處理不僅會危害開關(guān)囂件和控制系統(tǒng)的安全，而且影響負載電機的加載和系統(tǒng)的能效。本文采用超級電容和電阻混合處理變工況的瞬時能量，搭建基于超級電容的對拖測試仿真平臺，仿真結(jié)果驗證了該系統(tǒng)方案的正確性和控制策略的可行性。

1對拖測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制原理

1.1 PMSM互饋對拖測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對拖測試平臺也就是背靠背（back-to-back）試驗系統(tǒng)，由一套三相交—直整流器組成的直流電源、兩套變流器-PMSM以及系統(tǒng)控制器組成，兩臺PMSM通過機械聯(lián)軸器背靠背同軸連接，如圖P所示。由于被測電機系統(tǒng)和負載電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，所以能夠互相模擬負載進行測試，這樣就構(gòu)成了“雙變流器-PMSM”四象限串聯(lián)能量互饋系統(tǒng)[4]。其核心通過機械和電氣的耦合實現(xiàn)能量的循環(huán)，測試被測電機和控制系統(tǒng)的功能和性能。

1 2互饋對拖系統(tǒng)運行原理

根據(jù)圖1，對拖雙電機都采用采用ld=0轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制策略和SVPWM調(diào)制控制算法。兩臺PMSM同軸聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，本文采用控制被測PMSM1工作于轉(zhuǎn)速閉環(huán)，控制整個對拖系統(tǒng)的速度；負載PMSM2工作于轉(zhuǎn)矩閉環(huán)，通過控制負載電機電磁轉(zhuǎn)矩變化，來模擬被測PMSM1的負載大小，這樣互饋對拖系統(tǒng)能夠靈活的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩和速度，完成各種工況試驗功能測試需求[5]。

2超級電容和電阻混合儲能系統(tǒng)控制策略

被測PMSM系統(tǒng)模擬道路工況運行時超級電容和電阻混合處理能量控制流程如圖2所示。

超級電容儲能系統(tǒng)在被測PMSM系統(tǒng)啟動加速時補償一定的直流母線跌落電壓，其充、放電控制框圖如圖3所示。要實現(xiàn)儲能系統(tǒng)和直流母線之間能量的雙向流動，對雙向DC-DC變換器采用基于小信號模型的狀態(tài)空間平均法分析的電壓、電流的雙閉環(huán)控制策略，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度快、穩(wěn)定范圍寬[6-8]。

整個控制算法中，參考電壓Ure1、Ure2分別為對拖測試系統(tǒng)中被測PMSM起動加速和減速制動時超級電容放電、充電給定電壓域值。首先采集直流母線網(wǎng)壓Ud，實時比較采集直流母線電壓Ud反饋值同給定域值電壓值Ure1，Ure2得到系統(tǒng)狀態(tài)判定信號，輸出相應(yīng)的域值電壓值作為系統(tǒng)的給定。判斷儲能系統(tǒng)的工作模式，若Uref2

然后通過給定域值電壓和母線實際電壓的反饋值Ud比較計算得到系統(tǒng)的輸入電壓信號△Ud，經(jīng)過電壓環(huán)P1控制器調(diào)節(jié)輸出一個電流信號作為電流環(huán)給定值，給定值/L*同實際采集的電流IL反饋值比較，得到占空比控制電壓給定信號△/L，經(jīng)電壓P1調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電流內(nèi)環(huán)輸出的控制占空比D的充放電端電壓Uscc和Udo，通過與三角波比較得到PWM觸發(fā)脈沖，實現(xiàn)控制超級電容吸收或釋放能量。

其中在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中加入兩個限幅控制器，電壓環(huán)的輸出限幅控制器能使充放電電流限制在允許范圍內(nèi)，保障超級電容和開關(guān)器件安全；電流內(nèi)環(huán)限幅控制器維持占空比在一定范圍，從而使超級電容兩端電壓限制在允許的工作范圍內(nèi)。

3對拖仿真模型及仿真結(jié)果分析

通過以上分析，搭建超級電容裝置的雙電機聯(lián)合控制互饋對拖仿真測試平臺。對拖測試系統(tǒng)中，超級電容和制動電阻混合儲能系統(tǒng)仿真模型的主要參數(shù)，超級電容電壓Uc為624V，容量C為121.9F，內(nèi)阻為5.6mΩ，母線側(cè)電容Cd為74.4μF，電感L為56mH，系統(tǒng)頻率1KHz。

圖4變換器仿真模型中Switchl為制動電阻控制開關(guān)，母線接近母線安全電壓時觸發(fā)導(dǎo)通，對拖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)狀況運行都是關(guān)斷狀態(tài)。Switch0為超級電容儲能系統(tǒng)備用投入選擇開關(guān)。當對拖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時Switch0開關(guān)關(guān)斷狀態(tài)即超級電容儲能系統(tǒng)備用狀態(tài)；系統(tǒng)大范圍起動加速或制動減速過程Switch0導(dǎo)通，雙向DC-DC變換器投入工作。

如圖5混合儲能裝置的控制電路，分為控制邏輯指令判斷模塊和電壓電流雙閉環(huán)雙向DC/DC觸發(fā)信號控制模塊其中PWMO為雙向DC/DC投入備用觸發(fā)信號；PWM3為制動電阻投放觸發(fā)信號，PWM1、PWM2分別為IGBT1、IGBT2的觸發(fā)信號，控制超級電容充放電。

如圖6充放電控制控制指令判斷是其中PWM3是制動電阻開關(guān)的觸發(fā)信號，本文設(shè)置比較電壓Uref3是1700V，PWMO是母線電壓和Uref1、Uref2邏輯比較產(chǎn)生觸發(fā)信號，本文設(shè)置Uref1、Uref2分為別1450V和1550V。

首先被測電機啟動加速到1500r/min，1.5速度降到500r/min。接著連續(xù)的提速增量分別為200，300，400r/min。

由圖7-10波形對比分析，當系統(tǒng)啟動時需要很大的啟動能量，造成直流母線電壓跌落到1100V左右這時超級電容釋放能量將直流母線電壓抬升到設(shè)定電壓值1400V左右。此時超級電容兩端電壓下降，當系統(tǒng)穩(wěn)定后超級電容進入備用狀態(tài)，此時超級電容電壓基本穩(wěn)定在一個變化不大的區(qū)間。

當1.5秒被測電機制動到速度降到500r/min這時由于一個較大的制動速度導(dǎo)致直流母線電壓泵升到1700V此時超級電容進入儲能狀態(tài)吸收母線上回饋的瞬時能量，將母線電壓降到設(shè)定1550V附近，減小了對系統(tǒng)的沖擊。

2s、2.5s、3s時分別給電機不同的加速量，直流母線電壓對應(yīng)不同程度的波動。加速量越大，母線電壓波動下降越程度大，則系統(tǒng)加速過程中需要的瞬時能量越大。通過對直流母線電壓的分析，穩(wěn)定運行時直流母線電壓基本維持在1500V說明系統(tǒng)是穩(wěn)定的。穩(wěn)態(tài)運行時兩臺電機工作在電動和發(fā)電運行狀態(tài)，實現(xiàn)能量的循環(huán)利用。

4總結(jié)

通過對PMSM互饋對拖控制的研究分析，搭建了互饋對拖仿真測試平臺，仿真平臺具有高效節(jié)能的功能，能把傳統(tǒng)能耗型對拖測試平臺負載阻力矩消耗掉的機械能量，回饋到直流母線上實現(xiàn)能量循環(huán)利用。超級電容模塊充放電提供的瞬時能量，能夠有效減小雙電機起動時的巨大壓降，吸收被測電機制動時回饋到母線的瞬時再生制動能量，有效減小泵升電壓。這不僅提高了能量利用率，而且使直流母線電壓穩(wěn)定在一個安全運行的區(qū)間，增加了系統(tǒng)的安全。

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