異步電機低開關頻率的模型預測最佳化控制研究

《異步電機低開關頻率的模型預測最佳化控制研究》是依託上海大學，由宋文祥擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：異步電機低開關頻率的模型預測最佳化控制研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：宋文祥
• 依託單位：上海大學

中文摘要

中高壓大功率交流電機傳動系統為降低開關器件損耗，減少輸出波形諧波畸變，通常需要採用低開關頻率的最佳化脈衝模式，但其不能直接用於高性能閉環控制，因為在動態會造成PWM紊亂、系統過流。模型預測控制通過對控制目標的反覆最佳化，能夠不斷顧及電機模型的失配和時變、控制延遲以及各種干擾引起的不確定性並及時加以校正，為交流電機最佳化脈衝模式的高性能閉環控制問題提供了新的思路和途徑。因此，本項目從定子磁鏈軌跡預測控制模型、脈衝模式滾動最佳化、最佳化脈衝模式的中點預測控制、以開關損耗為目標的最佳化控制等幾個核心問題入手，選擇電壓型三電平逆變器驅動的異步電機為實驗對象，結合有限預測時域的模型預測滾動最佳化和預測狀態軌跡的外推策略，通過理論分析、數學建模、仿真研究和實驗驗證，研究建立異步電機低開關頻率的模型預測最佳化控制方法，為形成適用於這類電機驅動系統的行之有效的新型高性能控制方案，提供可靠的理論依據和技術支撐。

結題摘要

在大容量的變頻器交流電機傳動套用中，鑒於系統工作的高電壓和大電流，變頻器裝置功率開關器件的開關損耗和由此產生的熱量不容忽視，降低變頻器主電路的開關頻率非常必要。這可使其有效降低開關損耗，提升裝置效率，增大輸出負載電流，並進而增加變頻器出力。首先，研究了適用於低開關頻率運行的三電平逆變器同步最佳化PWM方法，以電流低次諧波幅值方程為非線性約束條件，通過設定誤差精度，增加了對低次諧波幅值的限制。對求解所需初值通過採用遺傳算法求取，最佳化求解後的開關角具有限制特定諧波幅值和保持較小電流諧波畸變率的特點。其次，提出了採用最佳化脈衝模式的電機磁鏈軌跡跟蹤建模和滾動最佳化脈衝模式形成方法，建立了磁鏈軌跡跟蹤預測模型及相應控制問題的最佳化模型。針對系統性能要求和控制約束條件，研究和設計了模型預測脈衝模式滾動最佳化計算模型及其數值求解方法。在低開關頻率下既能基於最佳化PWM獲得較小諧波畸變，又基於磁鏈軌跡跟蹤獲得快速動態回響。再次，將基於定子磁鏈軌跡跟蹤的閉環控制系統與新型中點電位平衡策略相結合，實現了對電容電壓波動和偏移的有效抑制。由於所採用的方法從空間電壓矢量角度分析，因此對於不同模式的最佳化PWM具有廣泛適用性。進一步地，通過對輸出矢量進行軌跡外推，形成長預測範圍的輸出軌跡，以逆變器的平均開關損耗為價值函式，對不同開關矢量作用的輸出軌跡進行線上評估，提出了一種異步電機低開關損耗的模型預測直接轉矩控制方法。基於該方法的驅動系統逆變器的開關損耗低，電機轉矩和磁鏈動靜態性能良好。最後，提出基於三電平最佳化矢量選擇器的異步電機模型預測直接轉矩控制和直接電流控制方案，根據轉矩和定子磁鏈的給定值得到期望的最佳化電壓矢量，只需對有限的四個電壓矢量進行最佳化評估，顯著降低了最佳化過程求解計算量。通過增加對開關切換次數的約束，可以形成具有開關頻率限制的模型預測控制策略，在兼顧轉矩和磁鏈偏差的同時降低逆變器開關頻率。