[發明專利]基于狀態軌跡外推的模型預測三電平直接轉矩控制方法

有效

• 申請號: 201310163165.6
• 申請日: 2013-05-07
• 公開（公告）號: CN103259486A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 阮智勇;朱洪志;宋文祥
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: H02P23/14
• 分類號: H02P23/14;H02P27/06
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

技術領域

本發明屬于大功率交流電機的低開關頻率控制領域，特別是涉及一種異步電機低開關頻率控制的基于狀態軌跡外推的模型預測三電平直接轉矩控制方法。

背景技術

多電平逆變器相對于兩電平逆變器具有輸出電壓更接近正弦波、能降低器件的耐壓等級、輸出電壓和電流諧波含量小等優點。二極管中點箝位型（NPC）三電平逆變器由于結構簡單、無須復雜變壓器等優點，在實際應用中最為廣泛。三電平逆變器每個功率管的耐壓限制在直流母線電壓的1/2，可提升直流母線的電壓容量近一倍，且其輸出電壓比傳統兩電平多一個臺階，其諧波特性明顯優于兩電平。因此，在中、高壓變頻調速，有源電力濾波裝置和電力系統無功等大功率領域有著廣闊的應用前景。

三電平逆變器的主要優勢體現在中高壓大功率場合，通常為減小開關損耗、提高逆變器輸出功率，功率器件的開關頻率一般限制在幾百赫茲。基于脈寬調制的矢量控制方案在低開關頻率下由于PWM響應滯后顯著，嚴重破壞系統的動態解耦性能，甚至導致系統無法正常工作。雖然采用復矢量電流調節器可以實現低開關頻率下電流的有效解耦，但是隨著開關頻率的降低存在電流諧波畸變嚴重的問題。直接轉矩控制（DTC）方案通常工作開關頻率較高，或者低開關頻率下無法取得理想的控制效果。傳統的高性能控制方案都難以滿足大功率場合幾百赫茲低開關頻率下高性能控制的要求，如何在低開關頻率下既獲得較小諧波畸變，又能使系統具有快速響應能力，是交流電機大功率傳動高性能控制方面的一大難題。

發明內容

本發明的目的在于針對NPC三電平逆變器驅動異步電機低開關頻率的高性能控制，提供一種基于狀態軌跡外推的模型預測三電平直接轉矩控制方法，使傳動系統運行在較低開關頻率下（300?Hz左右）能夠獲得快速的動態響應能力和理想的電流諧波畸變特性。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

本發明采用模型預測控制器代替傳統DTC的滯環控制器。所述模型預測控制器由內部狀態預測模型和價值函數滾動優化兩個模塊組成，磁鏈觀測器觀測到的定轉子磁鏈、速度傳感器測得的轉速和上一采樣周期輸出的開關矢量作為內部狀態預測模型的輸入，內部狀態預測模型的狀態輸出、轉速調節器輸出的給定電磁轉矩和給定定子磁鏈作為價值函數滾動優化模塊的輸入。

所述模型預測控制器根據建立的內部狀態預測模型，依據逆變器上一采樣時刻的開關狀態確定容許開關矢量，針對容許開關矢量通過內部狀態預測模型外推輸出軌跡，確定一個長的預測范圍，然后以逆變器平均開關頻率作為價值函數，利用模型預測控制（MPC）的有限時域滾動優化策略，實時求解最優開關矢量作用于逆變器。

所述容許開關矢量根據逆變器的上一采樣周期的開關狀態確定的逆變器容許開關跳變而定，將容許開關跳變明確界定為跳變必須保持其連續性（即：????????????????????????????????????????????????）且同一時刻最多只有一相發生跳變，滿足容許開關跳變的開關矢量確定為容許開關矢量。

所述預測范圍N_p由輸出軌跡外推步長確定，也就是外推軌跡直到存在輸出變量觸及其設定滯環邊界為止對應的時間步長。

所述內部預測模型根據NPC三電平逆變器驅動異步電機系統的數學模型和二次型外推方法確定。

所述二次型外推方法根據NPC三電平逆變器驅動異步電機系統的離散化數學模型，確定在k時刻的采樣值計算出(k+1)和(k+2)時刻輸出矢量的輸出軌跡，記為y(k|k)，y(k+1|k)和y(k+2|k)；輸出變量軌跡自第(k+2)時刻起以二次型方式外推，根據確定的預測范圍N_p，從采樣時間步k到k+N_p的輸出軌跡為：

二次型系數矢量a，b，c為：

所述的以逆變器平均開關頻率作為價值函數的優化準則為：

式中||·||表示一階范數，u(k)和u(k-1)分別表示當前和上一采樣時刻對應的開關矢量。

本發明的優點和積極效果是：