复合电源与双三相电机集成系统控制策略研究

In order to improve the performance and the integration of electric vehicles, this project focuses on a few key aspects of control strategy in an integrated system with hybrid power system(super capacitor/battery) and dual three-phase motor. Based on the framework of the dual three-phase motor driven with separated dc buses, the research includes: 1.For the difficulty of the compensation network design , this project excavates the coupling of state variables in the stator side and the rotor side under different working conditions. The control method for a multiport system using motor as the interface is proposed. Meanwhile, the influence and the prediction method of voltage fluctuation is also included; 2. This project also researches the impact of the unbalanced power on dual three-phase motor. Meanwhile, for the solution of the limited power in super capacitor, a decision-making mechanism for distribution of the excitation current and the torque current is proposed. 3. This project proposes a multi-hierarchies fault-tolerant control including inverters, motor, and hybrid power system. The control method of the unbalanced energy conversion in the fault condition and the stress in devices is researched to extend system reliable operation area. The research will effectively improve the performance of the driving and the energy management in a dual three-phase motor powered by a hybrid power system.

为了提高电动汽车的性能与集成度，基于分离式直流母线双三相电机驱动系统框架，本项目重点研究复合电源（超级电容/电池）与双三相电机集成系统控制策略的几个关键方面：①针对控制系统补偿网络设计困难的问题，研究不同工况下双定子侧以及转子侧三者之间状态变量的耦合关系，探索利用电机构成“虚拟母线”实现集成系统多端口运行的机理。在此基础上研究复合电源电压波动的影响及预测方法，提高转矩与电源能量管理的动态性能；②研究定子绕组功率不平衡情况对双三相电机运行与控制的影响，同时针对超级电容容量有限与长时间运行之间的矛盾，提出励磁电流与转矩电流的优化分配决策机制，提高系统效率与复杂工况适应能力。③提出综合逆变器、电机与复合电源的多层次容错控制，研究故障情况下不平衡能量的控制方法，降低器件应力，提高系统可靠性。本项目的研究将有效改善复合电源与双三相电机集成系统控制性能，为电动汽车动力系统的研究提供新思路。

本项目研究以面向复合储能的双三相电机为研究对象，重点研究了其不平衡状态下的运行方式及特点，并进一步研究了综合储能能量管理与电机驱动等功能的高性能控制策略。.为了分析面向复合储能的双三相电机运行机理，通过矢量图的方式对如何利用双逆变器控制两套定子绕组，并使其分别工作在发电机模式或电动机模式的核心问题进行了研究。完成了从能量流动的角度对电机驱动、能量回馈等功能的实现与转换规律的重新解构。.本项目针对复合储能造成的不平衡状态下的绕组间耦合问题，建立了适用于非平衡运行状态分析的分离母线式双三相电机模型，刻画出在双定子侧电流不等时两套定子绕组间的耦合特征，在完成不平衡状态下的解耦研究中起到了关键作用。 .针对定子电流谐波问题在不平衡状态下的情况，首先通过电机模型分析了定子电流5次、7次谐波的分布规律。基于该分析，在电流控制中加入设计的比例积分谐振控制器，实现了对电流谐波的抑制，为确保系统高能量转换效率发挥了重要作用。.在此基础上，本研究结合超级电容和电池的元件特性，采用分频协同控制发挥混合储能系统能力，无需辅助变换器即可以实现超级电容和电池分别提供高频和低频功率响应的控制效果，为复合储能系统控制的研究提供了重要途径。.最后，为了将前述研究成果应用于更广的领域，本项目以阻抗源变换器为例对电力电子系统与复合储能的集成研究进行了探索。研究表明集成后系统不仅保留变换器可升压、抗直通的优点，还可以解决无源元件尺寸大、器件电流应力高等问题，对电力电子与复合储能系统的集成工作有重要启发。.总体而言，通过三年的研究工作，本项目在突破现有新能源汽车驱动器的功能框架，探索驱动器“虚拟交流母线”的能量管理能力方面取得了预期的研究成果。实现了从功能复合化的视角重构驱动器控制方法的关键突破，研究成果为复合功能驱动器的工程实用化和电动汽车的设计集成化奠定基础，也为探索新一代车载动力系统提供可供参考的技术基础和创新思维准备。