間接矩陣變換器-異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的零電流換流模型預(yù)測控制方法

王閃閃

摘? 要：針對間接矩陣變換器（Indirect matrix converter，IMC）-異步電機(jī)（Induction machine，IM）調(diào)速系統(tǒng)換流復(fù)雜的問題，提出一種零電流換流-模型預(yù)測控制（Zero current control-model predictive control，ZCC-MPC）方法。在逆變級，控制周期內(nèi)采用開關(guān)狀態(tài)組合代替單一的預(yù)測開關(guān)狀態(tài)，以保證整流級總是在逆變級為零電壓矢量時發(fā)生換流。仿真結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的動靜態(tài)性能，并且整流側(cè)開關(guān)動作時，中間直流電流總為0，整流級換流得以簡化。

關(guān)鍵詞：零電流換流;模型預(yù)測控制;間接矩陣變換器

中圖分類號：TM46? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）30-0141-03

Abstract： In order to solve the problem of complex commutation in indirect matrix converter （IMC） -induction machine， （IM） speed control system， a zero current control-model predictive control （ZZCC-MPC） method is proposed. In the inverting stage， the combination of switching states is used instead of a single predictive switching state in the control cycle to ensure that the rectifier stage is always commutated when the inverter stage is a zero voltage vector. The simulation results show that the system has good dynamic and static performance， and when the rectifier side switch operates， the intermediate DC current is always 0， and the rectifier stage commutation is simplified.

Keywords： zero current control; model predictive control; indirect matrix converter

引言

IMC-IM調(diào)速系統(tǒng)傳統(tǒng)采用IM矢量控制與IMC空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制相結(jié)合的方法[1]，整流級雙向開關(guān)換流技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)之一。文獻(xiàn)[2]采用四步換流方法，保證當(dāng)整流級某開關(guān)單元的全控開關(guān)器件關(guān)斷時，其原先流過感性負(fù)載的電流將通過該橋臂中另外一個開關(guān)單元中的快速恢復(fù)二極管形成續(xù)流通路，從而避免了感性負(fù)載電流斷路。為了提高波形質(zhì)量和電壓利用率，在四步換流法的基礎(chǔ)上提出一種減少換流步驟、縮短換流過程時間的方法[3]，只保留中間兩步，但前提是必須獲得極為準(zhǔn)確的輸出電流方向信息，以避免出現(xiàn)換流故障。對此，提出零電流換流方法，并且傳統(tǒng)調(diào)制方法下控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制參數(shù)多不易調(diào)節(jié)，故本文擬引入MPC思想[4]，綜合提出ZCC-MPC方法。此方法通過建立變量預(yù)測和優(yōu)化模型，實現(xiàn)了多變量多約束條件的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易于調(diào)節(jié)。并且逆變級采用預(yù)測電壓矢量和零矢量的固定占空比的開關(guān)狀態(tài)組合，使得整流級雙向開關(guān)零電流換流時間充分，換流安全可靠。

1 IMC-IM系統(tǒng)拓?fù)?/p>

IMC-IM系統(tǒng)如圖1所示，主要包括三相正弦交流電源、IMC及IM負(fù)載三個部分。其中間接矩陣變換器包含輸入LC濾波器，虛擬整流級，虛擬逆變級，以及中間箝位保護(hù)電路。虛擬整流級電路由六個雙向開關(guān)：Sr1，Sr2，Sr3，Sr4，Sr5，Sr6組成，可實現(xiàn)能量的雙向流動。由電感和電容構(gòu)成的LC濾波器能夠吸收輸入電流中由開關(guān)動作引起的高頻諧波。

2 ZCC-MPC方法

本文借鑒了MPC思想[4]，引入MPC方法[5]，實現(xiàn)電機(jī)良好動靜態(tài)性能、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)。其控制框圖如圖2，包括（a）定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測、（b）轉(zhuǎn)矩和磁鏈預(yù)測模型、（c）品質(zhì)函數(shù)優(yōu)化三部分。

為保證整流級雙向開關(guān)換流安全性，傳統(tǒng)的常采用四步換流方法[2]，步驟繁雜，換流時間較長，并且對電壓電流檢測信號精確度要求較高。由此本文提出ZCC方法，如控制框圖中（d）所示，IMC完成開關(guān)狀態(tài)尋優(yōu)后，在逆變級單周期兩端分配固定占空比的零矢量So0，實現(xiàn)整流級零電流換流。

故ZCC-MPC控制算法按以下四步進(jìn)行：

（1）電機(jī)定轉(zhuǎn)子磁鏈觀測

根據(jù)異步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電壓方程，對定轉(zhuǎn)子磁鏈進(jìn)行觀測，并利用歐拉公式進(jìn)行離散化公式如下：

（1）

Rs、Rr、Ls、Lr、Lm為定、轉(zhuǎn)子電阻、電感和互感。

（2）預(yù)測模型

定子磁鏈的預(yù)測也遵循定子電壓方程，預(yù)測式如下：

（2）

根據(jù)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的關(guān)系[5]，可得要對電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測，首先需要實現(xiàn)定子電流的預(yù)測，根據(jù)定子動態(tài)方程得定子電流的預(yù)測如下：

上式中各參數(shù)含義如文獻(xiàn)[7]。

根據(jù)式（1）（3），電磁轉(zhuǎn)矩的預(yù)測公式為：

最后，由輸入濾波器模型得電流is的預(yù)測公式：

（5）

上式各參數(shù)如文獻(xiàn)[5]。其中

考慮到網(wǎng)側(cè)電壓vs（k+1）≈vs（k），輸入側(cè)瞬時無功功率的預(yù)測式為：

（7）

（3）品質(zhì)函數(shù)優(yōu)化

建立品質(zhì)函數(shù)（8）并優(yōu)化，即選擇使函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)為下一時刻最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)：

其中，λ1、λ2、λ3為變量的權(quán)重系數(shù)。

（4）零電流換流（ZCC）

零電流換流如圖3，在逆變級開關(guān)周期兩端分配固定占空比零矢量（000），作用時間要大于開關(guān)開通或關(guān)斷時間，本文以英飛凌BSM50GB120DN2功率模塊為例，設(shè)置單段零矢量U0作用時間為To=4？滋s，即開關(guān)組合中單段零矢量占空比為To/Ts。

3 仿真分析

利用MATLAB/similunk軟件進(jìn)行仿真。參數(shù)如下：Vsm=300v，fn=50Hz;采樣頻率fs=20kHz;濾波器Rf=0.5Ω，Lf=5mH，Cf=20μF;λ1=600，λ2=30000，λ3=3;電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩基準(zhǔn)值Te*=14N.m，定子磁鏈基準(zhǔn)值ψs*=0.96Wb。IM在t=1.2s時轉(zhuǎn)速由800r/min變?yōu)?00r/min，在t=1.5s時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由3N.m變?yōu)?N.m;

從圖4（a）看出IM可保持給定轉(zhuǎn)速，且定子電流正弦性較好;圖4（b）中當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速發(fā)生突變時，響應(yīng)快超調(diào)小，電機(jī)動靜態(tài)性能良好，可實現(xiàn)正常調(diào)速運行。從圖5（a）看出輸入側(cè)網(wǎng)測電壓和電流基本達(dá)到同相位，且網(wǎng)測電流正弦性良好。如圖5（b），當(dāng)IMC逆變級在t=0.1064s前后成功插入零矢量，此時直流側(cè)電流idc為0，整流級發(fā)生開關(guān)動作切換，由（100100）切換至（100001），零電流換流實現(xiàn)。

4 結(jié)論

本文提出的新型ZCC-MPC方法可實現(xiàn)：（1）輸出側(cè)IM動靜態(tài)性能良好，實現(xiàn)高性能調(diào)速。（2）網(wǎng)側(cè)電壓、電流基本同相位，無功功率約為零。（3）IMC整流級實現(xiàn)安全的零電流換流，大大簡化了傳統(tǒng)的四步換流策略，為實驗的成功打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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