CN110557074A - 用于级联h桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，所述方法包括：将级联H桥多电平逆变器三相输出侧连接表贴式永磁同步电机，在d‑q坐标系下建立复矢量形式的离散化数学模型；基于模型获取在第k个控制周期实际作用的电压矢量继续在第k+1个控制周期作用下的预测电流矢量；根据电流矢量与电压矢量增量的关系，构建价值函数；根据电流误差矢量的幅值和相角分别确定滞环宽度和最优电压矢量的增量，结合第k个控制周期作用下的最优电压矢量，确定第k+1个控制周期的最优电压矢量。本发明能有效减小预测次数与价值函数寻优次数，极大地降低多电平模型预测控制算法的复杂度，且具有较好的动、稳态性能。

Description

用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法

技术领域

本发明涉及多电平逆变器及电机驱动控制领域，尤其涉及一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，该方法可应用于轨道交通牵引、船舶推进系统等中、高压大功率交流电机变频调速领域。

背景技术

在中、高压大功率驱动领域，由于受单个电力电子器件耐压和损耗的限制，两电平逆变器存在高dv/dt、高谐波含量、功率器件开关损耗大、电磁干扰严重等一系列问题，使其应用场合受限。为此，多电平逆变器因其在高压大功率场合独有的优势，得到了国内外研究学者关注。级联H桥逆变器(CHB)作为一种具有代表性的多电平逆变器，因其结构简单、易于实现模块化和拓展、无需电容均压等优点，开始广泛应用于中、高压大功率交流电机调速。

模型预测控制(MPC)通过系统模型来预测被控变量未来的变化，具有可处理多变量、非线性约束控制、动态性能好等优点，其中有限控制集模型预测控制能充分利用逆变器的离散特性，将其与电机系统的非线性特性统一考虑，目前已广泛应用于两电平逆变器驱动永磁同步电机(PMSM)。然而对于级联H桥多电平逆变器-永磁同步电机系统(CHB-PMSM)而言，随着级联单元的增多与电平数的提高，其空间电压矢量数量与开关状态数量呈指数形式增加，例如三相五电平级联H桥逆变器的开关状态数量为(4^6＝4096)种，采用传统的模型预测控制方法遍历所有开关状态下的系统输出显然是难以实现的。

有研究学者提出了多种改进方法减小计算量，其中一种为只考虑临近矢量的模型预测方法(MPC-adj)，即只在上一控制周期所选最优矢量临近的正六边形区域内选择当前时刻的最优电压矢量，但仍需进行7次预测模型的计算与7次价值函数的比较，并且牺牲了系统的动态性能；另外一种为结合无差拍控制获得参考电压矢量的位置选取最近电压矢量的方法，此种方法仅需一次预测，但需要额外的定位最近三角形的位置的算法，且当系统存在扰动时，仅一次预测得到的参考电压矢量不再准确。针对现有方法所存在的问题，有必要设计一种新的多电平快速模型预测方法。

发明内容

本发明提供了一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，本发明能有效减小预测次数与价值函数寻优次数，极大地降低多电平模型预测控制算法的复杂度，且具有较好的动、稳态性能，详见下文描述：

一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，所述方法包括：

将级联H桥多电平逆变器三相输出侧连接表贴式永磁同步电机，在d-q坐标系下建立复矢量形式的离散化数学模型；

基于模型获取在第k个控制周期实际作用的电压矢量继续在第k+1个控制周期作用下的预测电流矢量；

根据电流矢量与电压矢量增量的关系，构建价值函数；

根据电流误差矢量的幅值和相角分别确定滞环宽度和最优电压矢量的增量，结合第k个控制周期作用下的最优电压矢量，确定第k+1个控制周期的最优电压矢量。

其中，所述离散化数学模型具体为：

式中，T_s为采样周期；R_s、L_s、ω和ψ_f分别为电机的定子电阻、定子电感、转子电角速度和永磁磁链矢量；u_j为当前控制周期备选电压矢量；j＝0,1,2,…,3l²-3l+1为电压矢量对应的编号，其中l为多电平逆变器输出相电压的电平数；为经过一拍延迟补偿后(k+1)T_s时刻的定子电流矢量。

进一步地，所述预测电流矢量具体为：

其中，所述根据电流矢量与电压矢量增量的关系，构建价值函数具体为：

其中，所述确定第k+1个控制周期的最优电压矢量具体为：

(1)若选择作为最优电压矢量

(2)若根据电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，选择出一个与在空间位置上相邻的电压矢量u_adj作为最优电压矢量

(3)若在情况(2)的基础上，将电流误差矢量修正为：

根据修正的电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，选择一个与u_adj在空间位置上相邻的电压矢量作为最优电压矢量

共模电压计算公式为：

式中，u_aN、u_bN、u_cN为逆变器输出的三相电压，选择使得共模电压u_com最小的开关状态作用于逆变器的开关器件实现电流控制。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、本发明有效解决了模型预测控制应用于级联H桥多电平逆变器计算量过大的问题，相对现有MPC-adj方法每个控制周期需要7次电流预测与7价值函数计算与比较，本发明所提策略仅需1次电流预测、电流误差矢量计算及滞环判断即可确定最优电压矢量，显著降低了计算量；

2、本发明保持了MPC-adj策略稳态运行下低dv/dt、低共模电压的优点，同时有效提高了电流动态特性。

附图说明

图1是级联H桥五电平逆变器-永磁同步电机系统的模型预测电流控制方法流程图；

图2是五电平(l＝5)空间电压矢量图；

图3是延迟补偿与预测电流轨迹图；

图4是电流矢量空间位置及电压矢量选择过程图；

图5是稳态下a相电流、逆变器输出相电压v_aN及线电压v_ab的仿真结果；

图6是传统MPC-adj方法与本方法的q轴电流阶跃响应仿真对比结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

随着级联单元的增加，传统模型预测控制方法存在电压空间矢量及冗余开关状态过多、开关状态选取复杂以及计算量较大等问题，本发明根据在上一控制周期所选最优电压矢量继续作用下的预测电流轨迹，计算得到电流误差矢量；同时引入滞环控制，根据电流误差矢量的幅值判断所属滞环区间，根据电流误差矢量的相角大小选择出最优电压矢量的增量，从而确定最优电压矢量；为了减小共模电压和冗余状态选取的复杂度，最优电压矢量由其对应较低共模电压的开关状态来产生。本发明可以有效地减小计算量，提高系统电流动态响应，同时保持较好的稳态性能。

一、构建同步旋转d-q坐标系下复矢量形式的数学模型：

其中，级联H桥五电平逆变器输出侧连接表贴式永磁同步电机，在同步旋转d-q坐标系下复矢量形式的数学模型为：

式中，u_s、i_s和T_e分别为定子电压矢量、定子电流矢量和电磁转矩；R_s、L_s、ω和ψ_f分别为电机的定子电阻、定子电感、转子电角速度和永磁磁链矢量；p为电机极对数。

二、预测电流矢量的离散数学模型为：

式中，T_s为采样周期；u_j为当前控制周期备选电压矢量；j＝0,1,2,…,3l²-3l+1为电压矢量对应的编号，其中l为多电平输出相电压的电平数；图2为五电平(l＝5)空间电压矢量图；为经过一拍延迟补偿后(k+1)T_s时刻的定子电流矢量，表达式为：

式中，为第k个控制周期实际作用的电压矢量；i_s(k)为三相电流采样值所对应d-q坐标系下的电流矢量。图3所示为延迟补偿与预测电流轨迹。

三、在第k个控制周期作用下的电压矢量继续在第k+1个控制周期作用下的预测电流矢量为：

将相邻两个控制周期的电压矢量的增量定义为：

因此，预测电流矢量的离散数学模型可以改写为：

其中，由两部分组成：一部分为在第k+1个控制周期电压矢量继续作用下的电流预测值此部分仅与kT_s时刻的值有关，可以通过电流矢量i_s(k)、电压矢量和延迟补偿计算得到，与备选电压矢量无关；另一部分为电压矢量增量项，对于不同的备选电压矢量u_j，电压矢量的增量Δu_j不同。

四、电流矢量与电压矢量增量的关系为：

式中，ε_s,j为备选电压矢量u_j作用下的电流矢量与作用下的电流矢量之间的差值，其表达式为：

当电压矢量u_j作用一个控制周期后，矢量ε_s,j与电压矢量的增量Δu_j的相位相同，幅值呈比例关系。因此，控制电压矢量的增量，即可等效转换为控制矢量ε_s,j。

模型预测电流控制的控制目标为在确定系统稳定的前提下，实际电流能快速准确地跟踪参考电流，参考电流矢量与预测电流矢量之差的模值可以通过下式计算：

定义电流误差矢量为第k个控制周期的参考电流矢量与电压矢量作用下的电流矢量之间的差值，表达式为：

那么，式(9)可以等效为：

将式(11)作为本发明的价值函数，可以看出，f值越小，ε_s,j越接近电流误差矢量预测电流与参考电流之间的误差也越小。因此为了获得较好的电流跟踪性能，应选择使f较小的电压矢量。

五、根据电流误差矢量的幅值和相角分别确定滞环宽度和最优电压矢量的增量，结合第k个控制周期作用下的最优电压矢量，确定第k+1个控制周期的最优电压矢量，具体包括：

理想情况下，在电机负载稳态运行时，对于正弦电流参考，施加到电机负载的电压矢量是旋转的。结合级联H桥多电平逆变器-永磁同步电机系统本身的特点，在高压大功率驱动场合，过高的电压幅值跳变容易使逆变电路或电机负载处于危险运行状态，因此稳态运行时必须避免过高电压幅值跳变的产生，这就要求相邻两个控制周期内所选电压矢量在空间位置上接近。

本发明基于以上特点，在电流环中加入滞环控制，即设定不同的滞环宽度 U_dc为级联H桥逆变器各H桥单元直流侧电压值，根据电流误差矢量的幅值与滞环宽度相比较选择最优电压矢量，具体分为以下三种情况：

(1)若则选择作为最优电压矢量

(2)若则根据电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，从而选择出一个与在空间位置上相邻的电压矢量u_adj作为最优电压矢量

(3)若表明参考电流变化较大，为提高电流动态响应速度，在情况(2)的基础上，将电流误差矢量修正为：

式中，i＝1,…,6对应与相邻的6个电压矢量的标号；根据将修正的电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，从而选择一个与u_adj在空间位置上相邻的电压矢量作为最优电压矢量

以第k个控制周期实际作用的电压矢量为u₈为例说明电压矢量选择过程，如图4中所示，当在半径为λ₁的圆内时，第k+1个控制周期作用的最优电压矢量仍然为u₈；当在内径为λ₁、外径为λ₂的圆环内时，可以得出第k+1个控制周期作用的最优电压矢量为u₉；当在半径为λ₂的圆外时，第k+1个控制周期作用的最优电压矢量为u₂₂。

在大功率逆变场合，较高的共模电压会产生较大的电机轴承电流或对地电流，从而对电机及其周围的用电设备造成严重危害。共模电压计算公式为：

式中，u_aN、u_bN、u_cN为逆变器输出三相电压，对于多电平逆变器，同一电压矢量对应多种开关状态，在最优电压矢量确定后，为了减小共模电压和冗余开关状态选取的复杂度，选择使得共模电压u_com最小的开关状态作用于逆变器的开关器件实现电流控制。

图5给出了稳态下a相电流、逆变器输出相电压v_aN及线电压v_ab的仿真结果，可以看出本发明所提方法在减小预测次数与价值函数寻优计算次数的同时，具有较好的稳态性能。图6给出了传统MPC-adj方法与本发明所提方法的q轴电流阶跃响应仿真结果，可以看出本发明所提方法具有更快速的电流动态响应速度。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，所述方法包括：

将级联H桥多电平逆变器三相输出侧连接表贴式永磁同步电机，在d-q坐标系下建立复矢量形式的离散化数学模型；

基于模型获取在第k个控制周期实际作用的电压矢量继续在第k+1个控制周期作用下的预测电流矢量；

根据电流矢量与电压矢量增量的关系，构建价值函数；

根据电流误差矢量的幅值和相角分别确定滞环宽度和最优电压矢量的增量，结合第k个控制周期作用下的最优电压矢量，确定第k+1个控制周期的最优电压矢量。

2.根据权利要求1所述的一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，所述离散化数学模型具体为：

式中，T_s为采样周期；R_s、L_s、ω和ψ_f分别为电机的定子电阻、定子电感、转子电角速度和永磁磁链矢量；u_j为当前控制周期备选电压矢量；j＝0,1,2,…,3l²-3l+1为电压矢量对应的编号，其中l为多电平逆变器输出相电压的电平数；为经过一拍延迟补偿后(k+1)T_s时刻的定子电流矢量。

3.根据权利要求2所述的一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，所述预测电流矢量具体为：

4.根据权利要求2所述的一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，所述根据电流矢量与电压矢量增量的关系，构建价值函数具体为：

5.根据权利要求4所述的一种用于级联H桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法，其特征在于，所述确定第k+1个控制周期的最优电压矢量具体为：

在电流环中加入滞环控制，即设定不同的滞环宽度根据电流误差矢量的幅值与滞环宽度相比较选择最优电压矢量具体为：

(1)若选择作为最优电压矢量

(2)若根据电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，选择出一个与在空间位置上相邻的电压矢量u_adj作为最优电压矢量

(3)若在情况(2)的基础上，将电流误差矢量修正为：

根据修正的电流误差矢量的相角确定电压矢量增量方向，选择一个与u_adj在空间位置上相邻的电压矢量作为最优电压矢量

共模电压计算公式为：

式中，u_aN、u_bN、u_cN为逆变器输出的三相电压，选择使得共模电压u_com最小的开关状态作用于逆变器的开关器件实现电流控制。