三电平中压变频模型预测控制

20240904

电力、热力、燃气及水生产和供应业

基于定子电流、母线电压的测量值以及实时观测的定转子磁链，计算转矩限幅、定子磁链幅值以及相位的参考值，实现模型预测磁链控制的深度弱磁方法，此方法具有动态性能佳，计算流程简单等优点。 采用高阶离散化方案全阶闭环磁链观测器，实现了高性能低载波比运行工况下的磁链观测器。 实现了电流谐波最小的三电平逆变器同步优化脉冲调制策略 将交流电机的逆变器的输出电压的基波周期划分为多个控制周期，实现了基于基波周期分段的同步调制开环实现方法 提出了“补偿跟踪误差—修正脉冲位置”的两级控制结构，具备同时补偿磁链轨迹跟踪误差以及中点电位偏差功能。 具体性能如下： 1、载波频率200—1200赫兹可调，运行正常 2、连续平滑切换到方波，且输出频率不低于400Hz，在有编码器闭环的控制模式下，0赫兹~方波频率，可以稳定运行，带载150%，速度精度±0.01%。 3、输出电流谐波满足CHMPWM 理论计算值 4、非方波运行工况下的额定转矩阶跃响应的时间为2-5ms，方波运行工况下不超过8ms 5、可以满足4倍弱磁运行，系统控制稳定，性能不变 6、中点母线电压偏差不大于6%的全母线 7、参数鲁棒性强，系统参数整定完成后，不同工况下，无需手动再次调整参数，且性能指标基本不变。

寻找应用场景和示范项目

仅限国内转让

异步电机因为具有输出转矩大、黏着利用率高、制动性能优秀以及维护量低等优点，在轨道交通中大量应用。然而轨道交通用的牵引电机功率很大，高开关频率下开关器件损耗非常严重，提高了调速系统的经济成本，降低了系统的可靠性。因此需要降低开关器件的开关频率至很低的标准以保证器件寿命，提高驱动逆变器输出效率。但是低开关频率也为电机调速系统带来如PWM脉冲不对称等问题。并且传统矢量控制在低开关频率下受控制器延迟以及低频电流谐波的影响，电流环整定困难，为保证系统的稳定性，其动态性能较差。三电平中压变频模型预测控制的应用可在低开关损耗前提下提供优秀的稳态与动态性能，实现高速弱磁稳定运行。并且控制提出的控制策略的参数鲁棒性极强，系统参数整定完成后，不同工况下，无需手动再次调整参数，因此拥有极好的市场前景。

北京市昌平区人民政府

该成果采用的控制框图主要包含6个研究内容，分别是：1.模型预测磁链控制；2.基于模型预测磁链控制的深度弱磁方法；3.低载波比运行工况下的磁链观测器；4.三电平逆变器同步优化脉冲调制策略及磁链轨迹离线计算；5.基于基波周期分段的同步调制实现方法；6.补偿定子磁链轨迹跟踪误差以及中点电位偏差的脉冲位置修正策略。 模型预测磁链控制的直接控制变量为定子磁链幅值以及电磁转矩，需要设计合适的弱磁控制器以避免不合适的转矩以及磁链幅值指令引起逆变器过流保护。本成果采取一种新型的弱磁控制方法， 该方法基于定子电流、母线电压的测量值以及实时观测的定转子磁链，计算转矩限幅、定子磁链幅值以及相位的参考值，具有动态性能佳，计算流程简单等优点。 传统的一阶欧拉离散化方案在低载波比运行工况下电流观测误差较大，为解决这一问题，提出了一种高阶离散化方案以减小观测器误差。 此外还采用了电流谐波最小脉宽调制技术，基于Matlab 中的 fmincon 函数离线计算不同调制比下的最 佳开关角。计算得到开关角以及磁链轨迹后，将其保存在表格中，用以程序实时查询。图 5给出了 n = 5 以及 m = 1（相对 udc/2）时的定子磁链轨迹以及三相开关脉冲。 该成果在实施同步调制时将基波周期等分为 6N（N 一般不小于 3）份，这样可以降低采样率以及算法对 硬件计算性能的要求。通过合理的基波周期划分，在每个采样周期内，可保证每相桥臂最多存在两次电平跳变。