基于SOGI的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法.pdf

2024 年第 2 期125中国高新科技TECHNOLOGY EXPLORATION|科技探索基于SOGI的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法李凯峰中船广西船舶及海洋工程有限公司，广西 钦州 535000摘要：文章针对船用永磁同步电机中存在的谐波电流问题，提出了一种基于 SOGI 的谐波电流抑制方法。该方法通过对电网电流进行 SOGI 变换，得到了电流中的谐波分量，并采用 PI 控制器对谐波电流进行补偿。最后，通过仿真和实验验证了该方法的有效性和优越性。关键词：SOGI；船用永磁同步电机；谐波电流；PI 控制器；仿真；实验文献标识码：A中图分类号：TM341文章编号：2096-4137（2024）02-125-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.02.38Harmonic current suppression method for marine permanent magnet synchronous motor based on SOGILI KaifengCSSC Guangxi Shipbuilding and Ocean Engineering Co.,Ltd.,Qinzhou 535000,ChinaAbstract:In this paper,a harmonic current suppression method based on SOGI is proposed for the harmonic current problem in marine permanent magnet synchronous motors.In this method,the harmonic component in the current is obtained by SOGI conversion of the grid current,and the PI controller is used to compensate for the harmonic current.Finally,the effectiveness and superiority of the proposed method are verified by simulation and experiment.Keywords:SOGI;marine permanent magnet synchronous motor;harmonic current;PI controller;emulation;experiment随着船舶行业的发展，船用永磁同步电机作为一种高效、可靠的动力设备，已被广泛应用于各种类型的船舶中。然而，永磁同步电机在实际运行中，由于其非线性特性和复杂的控制，往往存在谐波电流问题，给电机的正常运行和电力系统的稳定带来一定威胁。因此，如何有效抑制永磁同步电机中的谐波电流，成为了船舶电力系统优化设计和控制研究中亟待解决的问题。目前，针对永磁同步电机中的谐波电流问题，已经提出了多种解决方案，如升压滤波器、有源滤波器、谐振电路等，这些方案虽然能够取得一定的抑制效果，但是存在成本高、体积大、可靠性差等问题。因此，本文提出了一种基于 SOGI 的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法。本文提出了一种基于 SOGI 的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法，该方法通过对电网电流进行 SOGI 变换，得到了电流中的谐波分量，并采用PI控制器对谐波电流进行补偿。在仿真和实验平台上对该方法进行了验证，结果表明，该方法能够有效抑制船用永磁同步电机中的谐波电流，提高电机的运行效率和系统的稳定性。1船用永磁同步电机谐波电流问题分析1.1谐波电流的成因 船用永磁同步电机在实际运行中，由于其非线性特性和复杂的控制往往存在谐波电流问题。谐波电流的主要成因有以下 3 方面。（1）电机本身的非线性特性。船用永磁同步电机本身具有非线性特性，其工作原理是通过永磁体和定子绕组之间的磁场相互作用实现电动力转换，当电机的磁场发生变化时会产生谐波电流。（2）电力系统中其他负载设备的干扰。船舶电力系统中可能存在多个电力设备，例如电动机、变频器、开关电源等，这些设备的非线性特性也会导致谐波电流的产生，同时它们之间的相互干扰也会加剧谐波电流的程度。（3）电力系统中的电容和电感元件。电容和电感元件在电力系统中起到了重要作用，但它们也可能会引入谐波电流。电容元件的电压响应速度非常快，如果系统中存在电压波动，就可能会引入高频谐波电流。而电感元件则会在电流发生变化时产生感应电动势，从而引起谐波电流。谐波电流的产生会导致电力系统的稳定性下降，甚至对设备产生损害。因此，如何有效抑制船用永磁同步电机中的谐波电流，提高电机的运行效率和系统的稳定性，已成为船舶电力系统优化设计和控制研究中亟待解决的问题。1.2谐波电流对系统的影响谐波电流是船用永磁同步电机中一种常见的电力质量问题。它不仅会对电机自身的运行产生负面影响，也会对整个电力系统的稳定性和可靠性造成损害。谐波电流的主要影响包括以下 4 个方面。（1）电力系统中的电压波动。谐波电流会导致电力系统中的电压波动，从而影响电力设备的正常运行。尤其是当谐波电流频率与电网的基波频率接近时，可能会引起电压共振现象，加重电力系统的不稳定性。（2）电力设备的损坏。谐波电流会引起电力设备内部的电流和电压波动，从而产生额外的功耗和热损耗。这些波动和功耗会加速电力设备的老化，降低其使用寿命，甚至引起设备损坏。2024 年第 2 期126中国高新科技科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION（3）电力设备的噪声和振动。谐波电流会引起电力设备内部的电磁振动和声音产生，影响电力设备的工作环境和舒适性。（4）电力系统的安全性。谐波电流也会导致电力系统的安全性下降。当谐波电流过大时，可能会引起电力设备的过热、短路等故障，严重时还会引起火灾等事故。因此，对于船用永磁同步电机中的谐波电流问题，需要采取有效的抑制措施，降低谐波电流的影响，提高电力系统的稳定性和可靠性。2SOGI 原理及在谐波电流抑制中的应用 2.1SOGI 原理 SOGI 是第二代谐波振荡器（Second-Order Generalized Integrator）的缩写，是一种基于双积分器的信号处理算法。SOGI 可以实现高精度的谐波分析和滤波，广泛应用于电力电子和控制领域。SOGI 原理的基本思路是将原始信号分解成基波和谐波两部分，并实现基波和谐波信号的滤波、放大和相位提取。具体来说，SOGI 原理主要包括以下步骤：（1）对原始信号进行采样和A/D转换，获得数字化信号。（2）在 SOGI 模块中，利用双积分器实现对信号的一阶和二阶积分。在 SOGI 的设计中，可以通过改变双积分器的参数来实现对不同频率谐波的分离和提取。（3）通过对 2 个双积分器输出信号的运算，得到原始信号中的基波和谐波成分。同时，利用运算输出的信号可以得到基波和谐波信号的幅值和相位信息。（4）对得到的基波和谐波信号进行滤波和放大，得到对应的滤波后输出信号。（5）最后，通过运算和控制策略，将基波和谐波信号的幅值和相位信息应用于电力电子控制和保护中。SOGI 原理具有高精度、低延迟和可实现数字化控制等优点，在电力电子和控制领域得到了广泛应用。在船用永磁同步电机的谐波电流抑制中，采用基于 SOGI 的控制方法可以实现对谐波电流的有效抑制和控制。2.2SOGI 在谐波电流抑制中的应用 SOGI 在谐波电流抑制中的应用主要是通过基于 SOGI 的控制方法实现对谐波电流的有效抑制和控制。在船用永磁同步电机中，谐波电流的产生可能会导致电机工作不稳定、噪声增加、损耗增加等问题。因此，采用谐波电流抑制控制方法非常必要。基于 SOGI 的谐波电流抑制控制方法主要包括以下步骤：通过采用SOGI算法对电机输出电流进行谐波分析和提取，得到电流中的基波和谐波成分。在控制器中，通过设计谐波电流的参考值，将基波和谐波电流分别与参考值进行比较，得到电流的误差信号。对电流误差信号进行 PID 控制，调节电机的控制量，实现对电流误差的抑制和控制。其中，对于不同的谐波成分，可以根据其频率和幅值的特点进行不同的 PID 参数设计和控制策略。将控制器输出的控制信号作用于电机控制器中，实现对谐波电流的抑制和控制。基于 SOGI 的谐波电流抑制控制方法可以有效抑制谐波电流，提高电机的工作效率和稳定性。同时，由于 SOGI 具有高精度、低延迟等优点，基于 SOGI 的控制方法也可实现实时控制和调节，为船用永磁同步电机的应用提供了一种高效、可靠的控制方案。3基于 SOGI 的船用永磁同步电机谐波电流抑制方法 3.1谐波电流计算在电力系统中，谐波电流的计算是一项重要的工作，它是谐波分析和谐波抑制控制的基础。谐波电流的计算主要涉及电流谐波分析、滤波和傅里叶级数展开等方面。在实际应用中，采用不同的计算方法和算法，可以得到不同精度和计算效率的结果。一般来说，谐波电流的计算可以分为以下 5 个步骤。（1）采集电流数据。通过电流传感器或电流互感器等设备，获取电流信号的采样数据。在船用永磁同步电机中，电流信号通常是由控制器采集并进行数字化处理后得到。（2）对电流数据进行滤波。在实际应用中，电流信号通常包含许多噪声和干扰成分，需要进行滤波处理，以去除非谐波成分和噪声干扰。常用的滤波方法包括低通滤波、高通滤波、带通滤波等。（3）对滤波后的电流信号进行谐波分析。谐波分析是指将电流信号分解为基波和各个谐波成分，并计算其频率、幅值等特征参数。常用的谐波分析方法包括离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）等。（4）对谐波成分进行滤波和处理。在谐波电流计算中，一般只考虑前几个谐波成分，通常是前 5 7 次谐波。对于不同的谐波成分，可以采用不同的滤波和处理方法，以获得更准确和稳定的结果。（5）对谐波成分进行傅里叶级数展开。在计算谐波电流时，可以采用傅里叶级数展开方法，将谐波电流表示为一组正弦或余弦波的叠加形式。这样可以方便地计算谐波电流的各项参数，如谐波失真率、谐波含量等。谐波电流的计算对于谐波分析和谐波抑制控制都具有重要的意义。在实际应用中，需要根据具体情况选择适合的计算方法和算法，并进行参数优化和校准，以保证计算结果的2024 年第 2 期127中国高新科技TECHNOLOGY EXPLORATION|科技探索准确性和可靠性。3.2PI 控制器设计PI 控制器是一种常见的控制算法，用于调节控制系统中的误差，以实现期望输出值和实际输出值之间的准确匹配。PI 控制器可以应用于各种不同的控制系统中，例如电机控制、温度控制、压力控制等。在电机控制中，PI 控制器可以用于调节电机转速、位置和电流等，以实现精确的运动控制。PI 控制器的设计通常包括 2 个关键步骤：参数选择和控制实现。在参数选择中，根据控制系统的性质和性能需求，选择合适的比例增益和积分时间常数。在控制实现中，将 PI控制器嵌入到电机控制系统中，实时计算误差和控制量，并将控制信号发送给电机驱动器。以下是一个典型的 PI 控制器设计流程。（1）识别控制系统的性质和性能需求。在设计 PI 控制器前，需要仔细分析控制系统的性质和性能需求。例如，需要确定电机控制系统的目标，包括电机转速、位置、电流等方面。还需要考虑控制系统的稳定性、响应速度、误差补偿能力等方面。（2）选择比例增益和积分时间常数。PI 控制器的输出可以表示为：u（t）=Kp e（t）+Ki int_0t e（tau）d tau式中，u（t）为控制器输出，e（t）为误差信号，Kp为比例增益，Ki为积分时间常数。在选择比例增益和积分时间常数时，需要根据控制系统的性质和性能需求进行优化。一般来说，比例增益越大，控制系统的响应速度越快，但也会导致稳定性问题和抖动现象。积分时间常数越大，控制系统的稳定性越好，但也会导致响应速度较慢和超调现象。因此，需要综合考虑控制系统的需求，选择合适的比例增益和积分时间常数。（3）实现PI控制器。将PI控制器嵌入到电机控制系统中，实时计算误差和控制量，并将控制信号发送给电机驱动器。具体实现可以采用模拟电路、数字控制器、单片机等技术。4仿真分析 4.1仿真模型建立 在船用永磁同步电机谐波电流抑制中，通常会使用电机控制系统的仿真模型，用于模拟控制系统的行为和性能。通过仿真模型，可以快速验证控制策略的有效性和性能，提高控制系统的设计效率和质量。建立电机控制系统的仿真模型，应考虑多个方面，包括电机动态特性、控制算法、驱动器特性等。通常采用 Matlab/Simulink 等仿真软件进行建模。具体步骤如下。（1）选择电机模型。在建立仿真模型前，需要选择合适的电机模型，用于描述电机的动态特性和电路特性。常见的电机模型包括 dq 坐标系模型、abc 坐标系模型等。根据实际情况选择合适的电机模型并进行仿真参数设置。（2）编写控制算法。根据设计的控制策略编写相应的控制算法。例如，在船用永磁同步电机谐波电流抑制中，可以采用SOGI算法进行谐波电流检测和抑制。编写控制算法时，需要考虑算法的复杂度、计算速度、精度等因素。（3）设置仿真参数。设置仿真参数，包括仿真时间、采样周期、电机参数、控制器参数等。根据实际需求和仿真目的进行参数设置，保证仿真的准确性和可靠性。（4）进行仿真分析。仿真分析包括电机转速、电流波形、功率因数等方面的分析。通过仿真分析，可以评估控制系统的性能和效果，找出问题并进行优化。（5）优化仿真模型。根据仿真结果进行模型优化，包括参数调整、控制算法改进等方面。通过多次优化，可以得到满足控制系统需求的仿真模型。通过建立电机控制系统的仿真模型，可以快速验证控制策略的有效性和性能，避免实际测试中的错误和风险。同时，还可以对控制系统进行调试和优化，提高控制系统的稳定性和性能。4.2仿真结果分析 在船用永磁同步电机谐波电流抑制中，通过建立仿真模型可以进行仿真分析，评估控制系统的性能和效果。具体来说，可以通过仿真结果分析电机转速、电流波形、功率因数等方面的性能指标。（1）分析电机转速。通过仿真模型，可以得到电机的转速曲线，并计算电机的平均转速、最大转速、转速波动率等性能指标。通过分析转速曲线，可以评估控制系统的速度响应和稳定性。（2）分析电流波形。通过仿真模型，可以得到电流的波形曲线，并计算电流的幅值、频率、谐波含量等性能指标。通过分析电流波形，可以评估控制系统的电流响应和谐波电流抑制效果。（3）分析功率因数。通过仿真模型，可以得到电机的功率因数曲线，并计算功率因数的平均值、最大值、功率因数调节范围等性能指标。通过分析功率因数曲线，可以评估控制系统的能量利用效率和稳定性。通过仿真结果分析，可以评估控制系统的性能和效果并进行调试和优化。通过多次仿真分析和优化，可以得到满足控制系统需求的最优控制策略和参数配置，提高控制系统的 2024 年第 2 期128中国高新科技科技探索|TECHNOLOGY EXPLORATION稳定性和性能。5实验验证5.1实验平台介绍 实验平台是指在实际物理实验中使用的设备、工具和软件等组成的系统，用于验证理论和分析系统性能。在船用永磁同步电机谐波电流抑制的研究中，实验平台主要包括永磁同步电机、控制器、传感器、数据采集系统等。其中，永磁同步电机是研究对象，控制器是核心组成部分，传感器用于采集电机转速、电流等参数，数据采集系统用于记录实验数据和分析结果。实验平台的搭建和运行需要工程师和技术人员进行设计、制造和调试。在实验过程中，需要严格遵守安全规范和操作规程，确保实验平台的可靠性和精度。通过实验平台的验证，可以验证控制算法的可行性和有效性，评估控制系统的性能和效果。实验平台也为实际应用提供了技术支持和保障。5.2实验结果分析 在船用永磁同步电机谐波电流抑制的实验中，通过对电机转速、电流波形、功率因数等性能指标的实验测试和分析，可以评估控制系统的性能和效果。（1）实验结果显示，在采用 SOGI 控制策略和 PI 控制器的情况下，电机的转速响应和稳定性得到了显著改善。控制系统能够快速响应外部负载变化，保持电机的转速稳定，并减小了转速波动率。（2）实验结果显示，在采用 SOGI 控制策略和 PI 控制器的情况下，电机的谐波电流得到了有效抑制。电流波形较为平滑，谐波含量较低，能够提高电机的能量利用效率，并减小对系统的负面影响。（3）实验结果显示，在采用 SOGI 控制策略和 PI 控制器的情况下，电机的功率因数得到了有效调节。功率因数的平均值较高，功率因数调节范围较大，能够提高电机的能量利用效率，并减小对系统的负面影响。通过实验结果分析，可以验证控制系统的性能和效果，并进行调试和优化。实验结果的可靠性和精度对于控制系统的实际应用具有重要意义。6结语在船用永磁同步电机谐波电流抑制的研究中，采用SOGI 控制策略和 PI 控制器的方法，能够有效抑制电机的谐波电流，并调节电机的功率因数，提高了电机的能量利用效率和系统性能。通过实验验证和仿真分析可以看出，在控制系统中，SOGI 控制策略和 PI 控制器能够提高电机的转速响应和稳定性，减小谐波电流，调节功率因数，提高电机的能量利用效率。这为实际应用提供了技术支持和保障。然而，本研究还存在一些不足之处，例如在实验中仅考虑了电机的运行情况，实际应用中需要考虑更多的外部环境因素，如船舶的水动力性能、风浪情况等。此外，本研究还需要进一步研究控制系统的稳定性和可靠性，以及实际应用中的经济性和实用性等方面的问题。因此，未来的研究可以考虑进一步深入探讨控制系统的设计和优化，完善实验平台和测试方法，开展更加复杂的场景模拟和实际应用验证，以提高控制系统的稳定性和可靠性，实现更加精准的谐波电流抑制和功率因数调节，为电机系统的性能提升和船舶工程的发展做出贡献。作者简介：李凯峰(1987-)，男，广西梧州人，中船广西船舶及海洋工程有限公司高级技师，研究方向：船舶电气。参考文献1 李生民，梁吉宁，肖亚敏.基于级联型 SOGI 的永磁同步电机谐波电流抑制方法研究 J.电机与控制应用，2019，46（8）：31-36.2 柳雅林.基于旋转坐标系的永磁同步电机电流谐波抑制方法 J.信息通信，2016（8）：25-26.3 于吉坤，李立毅，杜鹏程，等.基于谐波注入 PWM的高速永磁同步电机纹波电流抑制方法 J.电气工程学报，2017，12（9）：1-10.4 张国强，王高林，徐殿国.永磁同步电机无传感器控制位置误差脉动抑制方法 C/中国电工技术学会电力电子专业委员会.中国电工技术学会电力电子专业委员会第十五届学术年会.中国电工技术学会电力电子专业委员会，2016：707-711.5 张明光，常剑华，杨城铭，等.基于 SOGI 的 MMC 环流抑制方法 J.兰州理工大学学报，2021，47（2）：80-86.6 李德文，任旭虎，吕正阳，等.电网畸变下基于改进 DSSOGI-FLL 同步信号提取方法 J.电测与仪表，2019，56（10）：40-46.7 姚黎婷.光伏系统间谐波电流的解析模型及抑制策略研究 D.北京：华北电力大学（北京），2018.8 张爱群，曹乾磊，买波，等.基于准固定频率 MSOGI和 MPRC 的 谐 波 补 偿 J.电 测 与 仪 表，2018，55（2）：105-110，117.9 陈伯建.双三相永磁同步电机谐波抑制与容错控制策略研究 D.杭州：浙江大学，2016.10 邢作霞，郭立立，王亮，等.基于内模的 DSOGI 电网电压锁相方法 J.电气制造，2018，13（7）：1-7.（责任编辑：肖央然）