大功率變換器及工業傳動模型預測控制

《大功率變換器及工業傳動模型預測控制》是2019年3月1日機械工業出版社出版的圖書，作者是[瑞士] 托拜厄斯·蓋爾（ Tobias Geyer） 。

基本介紹

• 書名：大功率變換器及工業傳動模型預測控制
• 作者：[瑞士] 托拜厄斯·蓋爾（ Tobias Geyer）
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111615583

內容簡介

《大功率變換器及工業傳動模型預測控制》首先介紹了工業電力電子系統市場和相關技術的發展趨勢，坐標變換、空間矢量、功率半導體器件等基礎知識，以及矢量控制、直接轉矩控制、載波調製和最佳化脈衝調製等經典控制和調製方法，為後續內容提供了合適的基礎。《大功率變換器及工業傳動模型預測控制》的核心部分則介紹了適用於低開關頻率大功率變換器和電機驅動領域的幾種控制算法，解釋了長預測範圍預測控制的概念，介紹了基於滯環的模型預測轉矩控制和基於脈衝調製的模型預測控制的控制方法，以及各種方法的最佳化。採用《大功率變換器及工業傳動模型預測控制》介紹的方法可以使大功率變換器系統在低開關頻率下仍然具有優異的動態和穩態性能，從而能夠提高大功率變換器的功率輸出、降低電流畸變、減小濾波器體積、獲得極快的動態回響並保證在安全工作區域限制內的可靠運行。《大功率變換器及工業傳動模型預測控制》適合電力電子與電力傳動領域的研究生、教師、工程師和實踐者閱讀，尤其是對大功率變換器和工業傳動的從業人員具有較大的參考價值。

圖書目錄

譯者序

原書前言

縮略語中英文對照表

書中變數及符號等釋義

第1篇 引言1

第1章 概述3

1.1 工業電力電子3

1.1.1 中壓變速傳動3

1.1.2 市場趨勢4

1.1.3 技術趨勢5

1.2 控制和調製策略5

1.2.1 要求5

1.2.2 最新策略6

1.2.3 挑戰7

1.3 模型預測控制8

1.3.1 控制問題9

1.3.2 控制原理9

1.3.3 優點及挑戰12

1.4 研究前景和動機13

1.5 主要成果14

1.6 本書概要15

1.7 預備知識17

第2章 工業電力電子21

2.1 預備知識21

2.1.1 三相系統21

2.1.2 標麼值系統23

2.1.3 靜止坐標系24

2.1.4 旋轉坐標系26

2.1.5 空間矢量29

2.2 感應電機30

2.2.1 電機模型的空間矢量表示30

2.2.2 電機模型的矩陣表示32

2.2.3 電機模型的標麼值表示33

2.2.4 電機模型的狀態空間表示34

2.2.5 電機諧波模型36

2.3 功率半導體器件37

2.3.1 集成門極換流晶閘管37

2.3.2 功率二極體38

2.4 多電平電壓源型逆變器38

2.4.1 中點鉗位逆變器39

2.4.2 五電平有源中點鉗位逆變器44

2.5 案例分析49

2.5.1 中點鉗位逆變器驅動系統49

2.5.2 有緩衝約束的中點鉗位逆變器驅動系統51

2.5.3 五電平有源中點鉗位逆變器驅動系統51

2.5.4 併網中點鉗位變換器系統52

第3章 經典控制與調製策略56

3.1 控制與調製策略的要求56

3.1.1 與電機相關的要求56

3.1.2 與電網相關的要求57

3.1.3 與變換器相關的要求59

3.1.4 總結60

3.2 控制與調製策略框圖60

3.3 基於載波的脈衝寬度調製61

3.3.1 單相脈寬調製62

3.3.2 三相載波脈寬調製67

3.3.3 總結與特性72

3.4 最佳化脈衝調製74

3.4.1 脈衝模式與諧波分析75

3.4.2 三電平變換器的最佳化問題77

3.4.3 五電平變換器的最佳化問題81

3.4.4 總結與特性84

3.5 脈寬調製的性能權衡85

3.5.1 電流總諧波畸變與開關損耗85

3.5.2 轉矩總諧波畸變與開關損耗86

3.6 感應電機驅動控制方法88

3.6.1 標量控制88

3.6.2 磁場定向控制89

3.6.3 直接轉矩控制93

第2篇 基於參考值跟蹤的直接模型預測控制109

第4章 短步長預測控制111

4.1 單相阻感負載電路的預測電流控制111

4.1.1 控制問題112

4.1.2 電流軌跡預測112

4.1.3 最佳化問題113

4.1.4 控制算法113

4.1.5 性能評估114

4.1.6 多步長預測116

4.1.7 總結118

4.2 三相感應電機的預測電流控制118

4.2.1 案例研究118

4.2.2 控制問題119

4.2.3 控制器模型120

4.2.4 最佳化問題121

4.2.5 控制算法121

4.2.6 性能評估123

4.2.7 關於範數的選擇126

4.2.8 延遲補償128

4.3 三相異步電機的預測轉矩控制132

4.3.1 案例研究133

4.3.2 控制問題133

4.3.3 控制器模型134

4.3.4 最佳化問題134

4.3.5 控制算法135

4.3.6 代價函式分析135

4.3.7 轉矩與電流控制器的代價函式比較136

4.3.8 性能評估138

4.4 總結140

第5章 多步長預測控制142

5.1 預備知識142

5.1.1 案例研究142

5.1.2 控制器模型143

5.1.3 代價函式144

5.1.4 最佳化問題144

5.1.5 基於窮舉搜尋的控制算法145

5.2 整數二次規劃描述146

5.2.1 最佳化問題的向量描述146

5.2.2 無約束最小化求解146

5.2.3 整數二次規劃147

5.2.4 預測步長為1的直接模型預測控制148

5.3 一種求解最佳化問題的有效方法149

5.3.1 準備知識和關鍵特性149

5.3.2 改進的球形解碼算法149

5.3.3 一個預測範圍為1的例子150

5.3.4 一個預測範圍為2的例子152

5.4 計算負擔153

5.4.1 離線計算154

5.4.2 線上預處理154

5.4.3 球形解碼154

第6章 多步長預測控制性能評估158

6.1 中點鉗位逆變器驅動系統性能評估158

6.1.1 性能評估框架158

6.1.2 開關頻率為250Hz時的性能對比160

6.1.3 閉環成本163

6.1.4 相對電流總諧波畸變率164

6.1.5 暫態運行168

6.2 基於直接求整的次最佳化模型預測控制169

6.3 帶LC濾波器的中點鉗位逆變器驅動系統性能評估171

6.3.1 案例研究171

6.3.2 控制器模型173

6.3.3 最佳化問題173

6.3.4 穩態運行174

6.3.5 暫態運行177

6.4 總結與討論178

6.4.1 穩態性能178

6.4.2 暫態性能179

6.4.3 代價函式179

6.4.4 控制目標179

6.4.5 計算複雜度180

第3篇 有邊界的直接模型預測控制183

第7章 模型預測直接轉矩控制185

7.1 引言185

7.2 預備知識186

7.2.1 案例分析186

7.2.2 控制問題188

7.2.3 控制器模型188

7.2.4 開關動作190

7.3 控制問題的描述190

7.3.1 簡單最佳化問題191

7.3.2 約束條件191

7.3.3 代價函式192

7.4 模型預測直接轉矩控制193

7.4.1 定義193

7.4.2 最佳化問題的簡化194

7.4.3 開關時域的概念194

7.4.4 搜尋樹198

7.4.5 基於窮舉的MPDTC算法200

7.5 擴展方法201

7.5.1 對狀態軌跡和輸出軌跡進行分析201

7.5.2 線性擬合方法202

7.5.3 二次擬合方法203

7.5.4 二次插值擬合法205

7.6 總結和討論206

第8章 模型預測直接轉矩控制的性能評估210

8.1 中點鉗位逆變器驅動系統的性能評估210

8.1.1 仿真設定210

8.1.2 穩態運行211

8.1.3 暫態運行216

8.2 ANPC逆變器驅動系統的性能評估218

8.2.1 控制器模型219

8.2.2 改進的MPDTC算法220

8.2.3 仿真設定221

8.2.4 穩態運行221

8.2.5 暫態運行227

8.3 總結和討論228

第9章 模型預測直接轉矩控制的分析與可行性232

9.1 目標集232

9.2 狀態反饋控制律233

9.2.1 預備知識234

9.2.2 給定轉子磁鏈矢量的控制律235

9.2.3 目標集邊緣的控制律241

9.3 死鎖現象分析242

9.3.1 死鎖的根本原因分析242

9.3.2 死鎖的位置244

9.4 死鎖的解決方法246

9.5 死鎖的避免247

9.5.1 死鎖避免策略247

9.5.2 性能評估249

9.6 總結和討論252

9.6.1 狀態反饋控制律的推導與分析252

9.6.2 死鎖的分析､解決與避免253

第10章 高效模型預測直接轉矩控制255

10.1 預備知識255

10.2 基於分支定界法的MPDTC 256

10.2.1 概念和原理256

10.2.2 分支定界法的特性257

10.2.3 限制最大計算數259

10.2.4 高效MPDTC算法259

10.3 性能評估260

10.3.1 案例研究260

10.3.2 穩態運行時的性能標準261

10.3.3 穩態運行時的計算指標263

10.4 總結和討論267

第11章 模型預測直接轉矩控制的推演269

11.1 模型預測直接電流控制269

11.1.1 案例研究270

11.1.2 控制問題271

11.1.3 定子電流邊界的描述271

11.1.4 控制器模型274

11.1.5 控制問題的描述275

11.1.6 MPDCC算法276

11.1.7 性能評估277

11.1.8 整定282

11.2 模型預測直接功率控制283

11.2.1 案例研究284

11.2.2 控制問題285

11.2.3 控制器模型286

11.2.4 控制問題的描述286

11.2.5 性能評估287

11.3 總結和討論292

11.3.1 模型預測直接電流控制292

11.3.2 模型預測直接功率控制293

11.3.3 目標集293

第4篇 基於脈衝寬度調製的模型預測控制301

第12章 模型預測脈衝模式控制303

12.1 最新控制方法303

12.2 最佳化脈衝模式304

12.2.1 概要､性能及計算304

12.2.2 磁鏈幅值與調製度的關係305

12.2.3 時間與角度的關係306

12.2.4 定子磁鏈參考軌跡306

12.2.5 查表法308

12.3 定子磁鏈控制308

12.3.1 控制目標308

12.3.2 控制原理308

12.3.3 控制問題309

12.3.4 控制方法309

12.4 MP3C算法310

12.4.1 觀測器311

12.4.2 速度控制器312

12.4.3 轉矩控制器312

12.4.4 磁鏈控制器312

12.4.5 脈衝模式載入器312

12.4.6 參考磁鏈313

12.4.7 脈衝模式控制器313

12.5 MP3C求解方法315

12.5.1 基於二次規劃的MP3C 316

12.5.2 基於無差拍控制的MP3C 318

12.6 脈衝插入319

12.6.1 定義320

12.6.2 算法320

第13章 模型預測脈衝模式控制性能評估325

13.1 NPC逆變器驅動系統性能評估325

13.1.1 仿真設定325

13.1.2 穩態運行326

13.1.3 瞬態運行331

13.2 ANPC逆變器驅動系統實驗結果335

13.2.1 實驗設定335

13.2.2 分層控制結構337

13.2.3 穩態運行338

13.3 總結和討論340

13.3.1 與現有先進控制方法的區別340

13.3.2 討論342

第14章 模組化多電平變換器的模型預測控制344

14.1 引言344

14.2 預備知識345

14.2.1 拓撲345

14.2.2 變換器非線性模型346

14.3 模型預測控制348

14.3.1 控制問題348

14.3.2 控制器結構348

14.3.3 線性預測模型349

14.3.4 代價函式349

14.3.5 硬約束與軟約束350

14.3.6 最佳化問題351

14.3.7 多電平載波脈寬調製351

14.3.8 平衡控制352

14.4 性能評估352

14.4.1 系統和控制參數352

14.4.2 穩態運行354

14.4.3 瞬態運行355

14.5 參數設計361

14.5.1 開環預測偏差362

14.5.2 閉環性能362

14.6 總結和討論363

第5篇 總結369

第15章 結論和總結371