CN111600524A - 一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法，具体包括：选择α‑β子空间4个相邻大矢量按照特定占空比合成虚拟电压矢量，消除x‑y子空间的谐波电压；选用虚拟电压矢量构造有限控制集，简化预测模型和评价函数；估算每个控制周期虚拟电压矢量作用时间，进行占空比优化，减小电流纹波；选择方向相反的2个大矢量按照相同的占空比组合，调节每个控制周期伏秒值，从而抑制共模电压；设计优化开关序列，实现各桥臂开关动作次数平均。本发明在有效抑制低次谐波电流的同时，共模电压减小80％；且简化了评价函数，提高了电流跟踪精度，减小了电流纹波。

Description

一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动领域中五相电机交流控制系统设计与制造领域，特别涉及一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法。
背景技术
模型预测控制具有控制简单灵活、开关频率低和多目标优化等优点，在电机控制领域得到了广泛的关注，其中有限集模型预测电流控制(finite control set modelpredictive current control，FCS-MPCC)是电力电子领域常用的方法之一，该方法直接对电流进行控制，概念直观且实现简单，已成为电机控制领域的研究热点。经典的FCS-MPCC在每一控制周期估算下一时刻电流变化趋势，根据评价函数选择最优矢量，并将最优矢量作用在下一个控制周期。然而，大多数时候实际电流与参考值之间的误差较小，有效矢量作用于整个周期反而会使得电流跟踪性能降低，电流纹波增大。为了解决该问题，基于占空比的FCS-MPCC算法被提出。该方法根据电流误差估计最优矢量的作用时间，并使用零矢量补足剩余的控制周期，减小了电流纹波，有效提高了FCS-MPCC方法的稳态性能。
然而，由于零矢量的使用，基于占空比优化的FCS-MPCC方法会产生较大的共模电压(common-mode voltage，CMV)。共模电压会产生轴电流和漏电流，引起电机发热，是造成电机轴承损坏的重要因素之一，严重影响电机服役寿命。此外，共模电压还会产生电磁干扰，影响到系统其它用电设备正常工作。为了抑制共模电压，现有的FCS-MPCC方法通常在评价函数中增加共模电压的约束，并通过调节权重系数实现共模电压和稳态性能之间的平衡。但是，共模电压约束的引入和权重系数的调节使得算法实现复杂，尤其在五相系统中还需要考虑谐波电流的约束，权重系数的整定更加困难。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法。
一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法，包括以下步骤：
S1、选择α-β子空间中相邻的4个大矢量，依次按照占空比0.191、0.309、0.309、0.191合成为虚拟电压矢量，总共可以得到10个虚拟电压矢量。
S2、合成的虚拟电压矢量作为矢量控制集，评价函数G可简化为只包含α-β子空间电流项，不含权重系数，避免了权重系数的整定；评价函数G如下：
Figure BDA0002508003430000021
其中，iα *和iβ *为k时刻α和β轴给定参考电流，iα k+2和iβ k+2为k+2时刻α和β轴电流估计值。
S3、在每个控制周期基于评价函数最小原则估算虚拟电压矢量占空比，以实现更加准确的电流跟踪，减小电流纹波。
Figure BDA0002508003430000022
其中Vopt为最优虚拟电压矢量的幅值；Vα、Vβ为Vopt在α、β轴的投影值；iα k+1和iβ k+1为k+1时刻α和β轴电流估计值；R为负载侧电阻；L为负载侧电感；Ts为控制周期。
S4、根据选出的最优虚拟电压矢量，选择两个反向的大矢量，并设计优化的开关序列输出期望的伏秒值。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
本发明采用产生共模电压最小的电压矢量合成虚拟电压矢量，共模电压降低了80％；虚拟电压矢量在x-y子空间的投影幅值为0，抑制了低次谐波电流且简化了评价函数；引入占空比优化，提高了电流跟踪精度，减小了电流纹波。此外，计算复杂度得到简化，易于数字实现，降低了程序设计的难度。
附图说明
图1为五相两电平电压源型逆变器拓扑结构图。
图2为五相电压源型逆变器在α-β子空间的电压矢量分布图。
图3为五相电压源型逆变器在x-y子空间的电压矢量分布图。
图4为α-β子空间虚拟电压矢量合成情况(以Vv1为例)。
图5为x-y子空间虚拟电压矢量合成情况(以Vv1为例)。
图6为一个控制周期对称开关序列波形(以Vv1为例)。
图7为传统抑制共模电压方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹。
图8为传统占空比优化方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹。
图9为本发明提出方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹。
图10为本发明与两种传统方法执行时间的对比。
具体实施方式
下面结合和附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本发明对象为五相两电平电压源型逆变器。五相电机系统中，根据扩展的派克旋转变换矩阵能将自然坐标系下的对称物理量分别映射到α-β和x-y两个正交子空间中，基波和10k±1(k＝1,2,3…)次谐波被映射到α-β空间；3次和10k±3(k＝1,2,3…)次谐波被映射到x-y子空间；10k±5(k＝1,2,3…)次谐波被映射到零序子空间中，对于星形连接的五相对称负载，该项始终保持为零。
定义开关函数为Si(i＝a,b,c,d,e)，Si＝1时上桥臂导通；Si＝0时下桥臂导通。五相逆变器共有32个基本电压矢量，包括30个有效电压矢量和2个零矢量，按幅值大小分为大、中、小和零矢量。α-β子空间中的大、中、小电压矢量幅值分别为0.6472Vdc、0.4Vdc、0.2472Vdc。图2、图3示出五相逆变器在α-β和x-y子空间的电压矢量分布图。
五相逆变器的共模电压uCM计算式为：
Figure BDA0002508003430000031
不同电压矢量产生的共模电压值如表1所示，显然小矢量和大矢量产生的CMV最小，零矢量产生的CMV最大。因此选择CMV最小的大矢量合成虚拟电压矢量。
表1不同电压矢量CMV
Figure BDA0002508003430000032
选择相邻的4个大矢量合成虚拟电压矢量，图4、图5为α-β和x-y子空间虚拟电压矢量合成情况。令x-y子空间合成的矢量幅值为0，以Vv1为例，给出4个大矢量组合占空比计算式：
Figure BDA0002508003430000033
其中，λ1、λ2、λ3、λ4为4个大矢量的占空比。共可得到10个有效虚拟电压矢量，其在α-β子空间的幅值为：
Figure BDA0002508003430000041
预测模型需要考虑控制器固有的一拍延时，延时补偿后的电流预测模型为：
Figure BDA0002508003430000042
其中，iαβ k为k时刻α、β轴的电流采样值；iαβ k+2为k+2时刻α、β轴的电流估计值；uαβ k为k时刻最优电压矢量在α、β轴的投影值；uαβ k+1为控制集中的电压矢量在α、β轴的投影值；R为负载侧电阻；L为负载侧电感；Ts为控制周期。
将10个有效虚拟电压矢量作为有限控制集，便可有效抑制谐波电流和CMV，因此评价函数不需要包含x-y子空间电流和CMV评价项，降低了计算复杂度，评价函数如下：
Figure BDA0002508003430000043
传统FCS-MPCC每个控制周期只施加1个电压矢量，本发明提出的方法则是施加4个大矢量，因此需要对开关序列进行合理配置。本发明采用对称的开关模式，在前半个控制周期4个大矢量按逆时针方向依次作用，在后半个控制周期则按顺时针方向依次作用，如图6所示(以Vv1为例)。
在大多数情况下，并不需要整个控制周期都施加最优电压矢量来跟踪参考电流。因此，为了实现更准确的电流跟踪，计算最优的最优有效电压矢量的占空比，其余时间插入零矢量作用。设有效电压矢量的占空比为d，k+2时刻的预测电流值为：
Figure BDA0002508003430000044
将上式代入评价函数，求出评价函数最小时对应的占空比，即为最优占空比：
Figure BDA0002508003430000045
其中Vopt为最优虚拟电压矢量的幅值；Vα、Vβ为Vopt在α、β轴的投影值；iα k+1和iβ k+1为k+1时刻α和β轴电流估计值。
由表1可知，零矢量产生最大的CMV，传统的占空比优化FCS-MPCC方法会产生较大的CMV。因此本发明提出的方法摒弃常规零矢量，通过2个方向相反的大矢量按相同的占空比(0.5)合成虚拟零矢量。为了保持开关序列的对称性，不同的有效虚拟电压矢量采用不同的虚拟零矢量组合方式，见表2，其中Vopt是当前时刻计算出的最优有效虚拟电压矢量。
表2不同的虚拟零矢量组合方式
Figure BDA0002508003430000051
传统抑制共模电压的五相逆变器FCS-MPCC方法在评价函数中加入共模电压评价项，减少零矢量和中矢量的选用频率，从而抑制CMV，但该方法牺牲了部分稳态性能。传统占空比优化的五相逆变器FCS-MPCC方法选用常规零矢量，虽然有效地抑制了谐波电流，但产生了较大的CMV。图7为传统抑制共模电压方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹；图8为传统占空比优化方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹；图9为本发明提出方法的相电流波形、CMV波形和α-β与x-y子空间电流轨迹。可见本发明提出的方法将共模电压降低到了±0.1Vdc(±10V)，且稳态性能与传统占空比优化方法相似。
图10给出了所提方法和两种传统方法的控制器执行时间对比。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于占空比优化的五相逆变器模型预测电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择α-β子空间中相邻的4个大矢量，依次按照占空比0.191、0.309、0.309、0.191合成为虚拟电压矢量，总共得到10个虚拟电压矢量；
S2、将合成的虚拟电压矢量作为矢量控制集，评价函数G简化为只包含α-β子空间电流项，不含权重系数，如下：
Figure FDA0002508003420000011
其中，iα *和iβ *为k时刻α和β轴给定参考电流，iα k+2和iβ k+2为k+2时刻α和β轴电流估计值；
S3、在每个控制周期，基于评价函数最小原则估算虚拟电压矢量占空比：
Figure FDA0002508003420000012
其中，Vopt为最优虚拟电压矢量的幅值；Vα、Vβ为Vopt在α、β轴的投影值；iα k+1和iβ k+1为k+1时刻α和β轴电流估计值；R为负载侧电阻；L为负载侧电感；Ts为控制周期；
S4、设计优化的开关序列：根据最优虚拟电压矢量，选择两个方向相反的大矢量，并分别插入在控制周期的两端和中间，实现对称的开关序列和各相平均的开关动作次数。
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