本發(fā)明屬于電力電子，涉及電機(jī)工作點(diǎn)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在電動汽車、船舶電力推進(jìn)和軌道交通等新能源動力系統(tǒng)中，電機(jī)驅(qū)動器即變頻器一般從動力電池取電驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行，具有高效、清潔等優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。永磁同步電機(jī)可以利用永磁體替代傳統(tǒng)同步電動機(jī)的勵磁繞組，無需安裝勵磁繞組以及電刷，具有結(jié)構(gòu)簡單、易維修、轉(zhuǎn)矩密度大以及功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防軍工、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，然而伴隨著能量的消耗，動力電池電壓即直流母線電壓會在較寬的范圍內(nèi)波動，影響系統(tǒng)的工作點(diǎn)及工作效率，這就對電推進(jìn)系統(tǒng)的工作點(diǎn)設(shè)計提出了較高要求。

2、傳統(tǒng)設(shè)計方法中，為了使母線電壓最低時推進(jìn)系統(tǒng)仍然能夠滿功率運(yùn)行，變頻器和電機(jī)必須將滿功率工作點(diǎn)設(shè)計在母線最小值工況；傳統(tǒng)電推進(jìn)系統(tǒng)工作點(diǎn)設(shè)計的原理如圖1所示，按照傳統(tǒng)的設(shè)計思路，設(shè)計的電機(jī)必須在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)始終保持較低端口電壓，即線電壓峰值小于蓄電池最低電壓，這就要求電機(jī)具有較小的永磁體磁鏈。然而，電推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時，電機(jī)大部分時間都處于中低轉(zhuǎn)速，動力母線電壓大部分時間處于其變化范圍的中間值，這就導(dǎo)致系統(tǒng)的直流母線電壓利用率非常低。此外，低母線電壓下對轉(zhuǎn)矩電流需求較大，導(dǎo)致電推進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生更大的損耗。以小型船舶為例，其蓄電池電壓范圍為350v-640v，母線電壓最大值接近其最小值的2倍。因此，傳統(tǒng)的電推進(jìn)系統(tǒng)工作點(diǎn)設(shè)計思路下電機(jī)產(chǎn)生的定子銅耗可能高達(dá)最優(yōu)工作點(diǎn)下的數(shù)倍。因此傳統(tǒng)的電推進(jìn)系統(tǒng)工作點(diǎn)設(shè)計方法使推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)難以設(shè)計在最優(yōu)的工作點(diǎn)，制約了電推進(jìn)系統(tǒng)的效率提升。

3、現(xiàn)有方法一般通過在變頻器前級級聯(lián)dc/dc變換器調(diào)節(jié)直流母線電壓，但仍存在以下不足：一是用于穩(wěn)壓的dc/dc變換器拓?fù)湟话悴捎脝螛虮蹟夭娐?，拓?fù)涿嫦虼蠊β蕡龊先狈ζ者m性；二是采用電流等運(yùn)行參數(shù)標(biāo)定法調(diào)節(jié)直流母線電壓，但該類參數(shù)標(biāo)定方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，通用性較弱；三是采用人工智能算法，根據(jù)大數(shù)據(jù)的訓(xùn)練結(jié)果調(diào)節(jié)母線電壓，但是對特定系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)依賴性較強(qiáng)，缺乏工程實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決背景技術(shù)中所述傳統(tǒng)電推進(jìn)系統(tǒng)工作點(diǎn)設(shè)計方法中直流母線電壓利用率非常低、電推進(jìn)系統(tǒng)的損耗大、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)難以設(shè)計在最優(yōu)工作點(diǎn)，電推進(jìn)系統(tǒng)的效率難以提升以及現(xiàn)有設(shè)計方法普適性差和缺乏工程實(shí)用性的問題，本發(fā)明提供柔性直流母線變頻器和永磁同步電機(jī)的工作點(diǎn)設(shè)計方法。

2、本發(fā)明的方法包括：

3、基于柔性直流母線變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中直流母線電壓變化范圍以及永磁同步電機(jī)的額定電流、額定轉(zhuǎn)速，建立永磁同步電機(jī)參數(shù)設(shè)計的約束方程，使永磁同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的反電動勢接近直流母線電壓的上限值，實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)的工作點(diǎn)設(shè)計；

4、基于柔性直流母線變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用調(diào)制比恒定法，根據(jù)柔性直流母線變頻器調(diào)制比us與目標(biāo)調(diào)制比的調(diào)制比偏差量δud，對直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至柔性直流母線變頻器調(diào)制比穩(wěn)定跟蹤給定值；

5、基于柔性直流母線變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用查找表法，根據(jù)直流母線電壓給定與直流母線電壓真實(shí)值的直流母線電壓偏差量δudc，對直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至柔性直流母線變頻器母線電壓穩(wěn)定跟蹤給定值；

6、結(jié)合上述所述柔性直流母線變頻器調(diào)制比穩(wěn)定跟蹤給定值和柔性直流母線變頻器母線電壓穩(wěn)定跟蹤給定值，實(shí)現(xiàn)柔性直流母線變頻器的工作點(diǎn)設(shè)計。

7、進(jìn)一步地，所述柔性直流母線變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能根據(jù)功率等級及電機(jī)相數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展；柔性直流母線變頻器輸入側(cè)包含一個用于穩(wěn)定輸入電壓的輸入側(cè)電容；

8、所述柔性直流母線變頻器包括升降壓斬波模塊和逆變調(diào)速模塊，所述升降壓斬波模塊與逆變調(diào)速模塊級聯(lián)處并聯(lián)用于穩(wěn)定直流母線電壓的母線支撐電容；

9、所述升降壓斬波模塊能根據(jù)功率等級需求向多重化擴(kuò)展，通過多個橋臂交錯并聯(lián)提升功率等級；所述升降壓斬波模塊也能根據(jù)需求簡化為單純的升壓或降壓斬波拓?fù)?；所述逆變調(diào)速模塊能根據(jù)負(fù)載電機(jī)需求向多相擴(kuò)展，驅(qū)動相數(shù)≥2的任意相數(shù)的永磁同步電機(jī)。

10、更進(jìn)一步地，所述電推進(jìn)系統(tǒng)的工作點(diǎn)設(shè)計中，使永磁同步電機(jī)的定子電阻r，d軸電感l(wèi)d，q軸電感l(wèi)q，永磁體磁鏈ψf滿足式(1)、式(2)所述的約束方程：

11、

12、其中，式(1)為永磁同步電機(jī)的定子電壓方程；式(2)為永磁同步電機(jī)的參數(shù)設(shè)計約束；ud為永磁同步電機(jī)d軸電壓，uq為永磁同步電機(jī)q軸電壓；id為永磁同步電機(jī)d軸電流，iq為永磁同步電機(jī)q軸電流，ωe為永磁同步電機(jī)電角速度，ωn為永磁同步電機(jī)額定電角速度，vdcmax為變頻器直流母線電壓上限值，為微分算子。

13、更進(jìn)一步地，所述調(diào)制比恒定法為：

14、通過電流控制環(huán)路產(chǎn)生的d軸電壓給定q軸電壓給定計算柔性直流母線變頻器調(diào)制比us，將柔性直流母線變頻器調(diào)制比us與目標(biāo)調(diào)制比做差得到調(diào)制比偏差量δud，δud一方面用來決定升降壓斬波模塊的升降壓模式，另一方面送入pi調(diào)節(jié)器得到升降壓斬波模塊的電流參考值經(jīng)過各支路均分后與各支路電流il1至iln作差，送入pi調(diào)節(jié)器后得到升降壓斬波模塊各支路的占空比dl1至dln，升降壓斬波模塊根據(jù)升壓或降壓模式和各支路的占空比dl1至dln調(diào)節(jié)直流母線電壓，使柔性直流母線變頻器調(diào)制比跟蹤給定值。

15、更進(jìn)一步地，所述查找表法為：

16、以永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速ωre為輸入，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與直流母線電壓目標(biāo)值的對應(yīng)表格，得到直流母線電壓給定將其與直流母線電壓真實(shí)值做差，得到直流母線電壓偏差量δudc；δudc一方面用來決定升降壓斬波模塊的升降壓模式，另一方面送入pi調(diào)節(jié)器得到升降壓斬波模塊的電流參考值經(jīng)過各支路均分后與各支路電流il1至iln作差，送入pi調(diào)節(jié)器后得到升降壓斬波模塊各支路的占空比dl1至dln；升降壓斬波模塊根據(jù)升壓或降壓模式和各支路的占空比dl1至dln調(diào)節(jié)直流母線電壓，使柔性直流母線變頻器母線電壓穩(wěn)定跟蹤給定值。

17、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于柔性直流母線變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一方面對永磁同步電機(jī)進(jìn)行針對性設(shè)計，使永磁同步電機(jī)額定轉(zhuǎn)速下的反電動勢接近直流母線電壓的上限值，保證永磁同步電機(jī)具有較高的端口電壓和較低的轉(zhuǎn)矩電流需求，降低電推進(jìn)系統(tǒng)的損耗，使電推進(jìn)系統(tǒng)工作在高電壓、小電流的高效率工作點(diǎn)；另一方面，通過調(diào)制比恒定法和查找表法，對直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至柔性直流母線變頻器的調(diào)制比穩(wěn)定跟蹤給定值以及母線電壓穩(wěn)定跟蹤給定值，進(jìn)而匹配電推進(jìn)系統(tǒng)的高效工作點(diǎn)，既確保了電推進(jìn)系統(tǒng)具有高效率，又防止永磁同步電機(jī)進(jìn)入弱磁升速的工況，直流母線電壓調(diào)節(jié)方法操作簡便，可根據(jù)工程需求靈活選擇匹配，另外，柔性直流母線變頻器拓?fù)涞难诱剐暂^好，可根據(jù)功率等級向多相、多重化擴(kuò)展，也可根據(jù)需求簡化為單純的升壓或降壓斬波拓?fù)洹?/p>

18、本發(fā)明通過對柔性直流母線變頻器和永磁同步電機(jī)的工作點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計，使推進(jìn)變頻器和推進(jìn)電機(jī)易于運(yùn)行在最優(yōu)工作點(diǎn)，提升了直流母線電壓利用率，使電推進(jìn)系統(tǒng)工作在高電壓、小電流的工況下，進(jìn)而使整個電推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行在高效工作區(qū)，降低了電推進(jìn)系統(tǒng)的損耗，提升電推進(jìn)系統(tǒng)的效率，同時還可以實(shí)現(xiàn)降低輸出電流諧波，達(dá)到減振降噪的效果；本發(fā)明的方法不需要依賴歷史數(shù)據(jù)，方法簡單，通用性高，普適性廣，工程實(shí)用性強(qiáng)。