大功率三電平變頻器低開關頻率控制關鍵技術研究

《大功率三電平變頻器低開關頻率控制關鍵技術研究》是依託中國礦業大學，由伍小傑擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：大功率三電平變頻器低開關頻率控制關鍵技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：伍小傑
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

為減小開關損耗，提高變頻器輸出功率，需降低開關頻率；但隨之帶來輸出諧波增加、動態性能下降等問題。針對低開關頻率下PWM變換器輸出諧波成分豐富的問題，使用控制理論工具分析、對比不同開關頻率下，PWM環節在回響特性等方面的變化。考慮到低開關頻率下，PWM環節的延時特性更加明顯，將重點從數字控制的角度出發，建立考慮諧波特性的PWM環節離散域模型，為控制算法的設計提供理論支持。傳統最佳化PWM算法穩態性能較好，但在動態過程中存在脈衝紊亂、裝置過流的問題；擬從數學分析角度出發，研究其穩態時消除與抑制諧波的機理；從控制理論的角度，結合被控對象模型線上調整開關角。實際系統中因PWM調製死區、系統非線性等因素，不可避免含有低次諧波；擬使用現代控制理論設計基波電流觀測器，使用內模原理設計抗低次諧波擾動的基波電流控制器，並對比此二種手段。圍繞高性能調速這一主題，提出低開關頻率下變頻器分析與設計的核心控制算法。

結題摘要

本項目以大功率三電平變頻器帶電勵磁同步電機負載為研究對象，進行了其低開關頻率下的系統建模、變頻器PWM調製策略、電機控制系統等研究。充分考慮低開關頻率影響，建立了基於復矢量信號流圖的三電平變換器模型；針對電勵磁同步電機模型複雜性問題，首次提出了復矢量與矩陣相結合的復矩陣建模方式，簡化電機模型的同時便於控制系統設計。針對低開關頻率造成的電機定子側電流畸變、低次諧波嚴重，定子電流磁化分量與轉矩分量耦合嚴重問題，首先從經典控制理論入手、結合電機復矩陣模型，設計了基於混合坐標系的定子電流基波觀測器，能在較低開關頻率下實現基波電流有效跟蹤；接著首次提出了電勵磁同步電機電流內環的復矢量調節器控制理論，實現低開關頻率下磁化分量與轉矩分量間的解耦，並對以上觀測器、調節器進行穩定性、有效性驗證。研究了低開關頻率下的最佳化PWM消除、抑制低次諧波的機理；針對此類算法動態性能不高的缺陷，首次將模型預測控制與同步對稱最佳化PWM相結合的脈寬調製技術移植至電勵磁同步電機高性能動態調速中，以定子磁鏈為跟蹤目標，將磁鏈軌跡跟蹤誤差轉化至滾動時域內的伏-秒值，從而實現對開關角的動態調整，解決最佳化PWM只能離線計算、動態調用時可能存在的開關角紊亂、裝置過流等問題。針對低開關頻率分段調製算法中低調製度區域問題，首次明確了分段調製分界點，並解決了其低開關頻率下的中點電位平衡問題。通過理論推導、仿真實驗分析，為解決大功率三電平變頻器低開關頻率技術、推動此項技術邁向實際套用提供了重要理論和關鍵技術。