CN114614719B - 电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统 - Google Patents

电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统，属于电机控制技术领域，代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数；本发明在兼顾系统动态响应速度的前提下，实现了对功率因数的全面提升。

Description

电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，特别涉及一种电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
电机是工业生产中的重要设备，同时，电机也是耗电量最多的用电设备。目前，经典的提升电机效率的方法分为两类，一类是硬件方面，通过使用新材料或者优化电机零部件等；另一类是软件方面，通过优化控制算法等。后者不改变电机硬件，简单有效，因此，本发明将重点研究提升电机驱动系统整体运行效率的控制策略。
目前，现有的控制策略为：通过降低电机驱动系统的部分损耗，提升系统运行效率的控制策略。一方面，通过提升稳态控制效果，改善电能质量，减少谐波损耗，进而提升系统效率；另一方面，通过降低开关动作次数或者改善脉冲宽度调制策略，降低开关损耗，提升系统效率。但是，上述方案不能涵盖电机驱动系统所有的损耗，因此，系统效率提升不全面。而且上述方案只考虑了谐波损耗和开关损耗，未全面考虑电机驱动系统的所有损耗，如热损耗等其他损耗。同时，传统方法因为无法直接控制功率，故无法直接控制功率因数。所以，现有方案无法在兼顾系统动态响应速度的前提下，实现对功率因数的全面提升。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统，在兼顾系统动态响应速度的前提下，实现了对功率因数的全面提升。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明第一方面提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制方法。
一种电机驱动系统预测功率因数控制方法，包括以下过程：
获取电机端的运行参量数据；
根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
作为可选的一种实现方式，视在功率为电机输出有功功率的平方与电机输出无功功率的平方的加和的开方。
作为可选的一种实现方式，k+1时刻的电机输出有功功率预测值和电机输出无功功率预测值采用k+2时刻的预测值代替。
作为可选的一种实现方式，当电机为感应电机时，感应电机输出有功功率的参考值为电机转速参考值与转矩参考值的乘积；
感应电机输出无功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值。
作为可选的一种实现方式，当电机为永磁同步电机时，无功功率的参考值为零。
本发明第二方面提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制系统。
一种电机驱动系统预测功率因数控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取电机端的运行参量数据；
电机控制模块，被配置为：根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
作为可选的一种实现方式，视在功率为电机输出有功功率的平方与电机输出无功功率的平方的加和的开方。
作为可选的一种实现方式，k+1时刻的电机输出有功功率预测值和电机输出无功功率预测值采用k+2时刻的预测值代替。
作为可选的一种实现方式，当电机为感应电机时，感应电机输出有功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的q轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值；
感应电机输出无功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值。
作为可选的一种实现方式，当电机为永磁同步电机时，无功功率的参考值为零。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统，将功率因数直接加入代价函数之中，通过代价函数直接控制电机驱动系统的功率因数，在兼顾系统动态响应速度的前提下，实现了对功率因数的全面提升。
2、本发明所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法及系统，可以在保证动态响应速度的前提下，有效提高系统功率因数，降低系统损耗。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1提供的感应电机驱动系统拓扑图。
图2为本发明实施例1提供的预测功率因数控制框图。
图3为本发明实施例1提供的预测功率因数控制流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1、图2和图3所示，本发明实施例1提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制方法，包括以下过程：
获取电机端的运行参量数据；
根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
具体的，本发明首先分析了系统输出有功功率与转矩、输出无功功率与磁链的关系。然后利用代价函数控制输出有功功率和无功功率，实现对电机转矩和磁链的控制，即预测功率控制。在此基础之上，将功率因数加入代价函数之中，进而实现对功率因数的直接控制，包括以下过程：
S1：预测功率控制
代价函数为电机输出的有功功率
Figure GDA0003726267010000041
和无功功率
Figure GDA0003726267010000042
预测值分别与其参考值
Figure GDA0003726267010000043
之差的平方和，即：
Figure GDA0003726267010000044
分别以感应电机和永磁同步电机为例，首先是感应电机，其电机输出的有功功率为：
Pe＝e·is (2)
其中，e为转子侧感应电动势，is为电机定子电流；此外，该方程还可以表示为输出转矩与转速的乘积；或转子磁链与定子电流叉乘后与转速和相关系数的乘积；或转子磁链与定子磁链叉乘后与转速和相关系数的乘积等，即：
Figure GDA0003726267010000051
其中，Te为输出转矩，ωm为电机转速，ω为电机电角速度，ψs、ψr分别为电机定子磁链和转子磁链，C1、C2为与电机参数相关的系数，此外，在输出有功功率的表达式中，可以用转速的参考值代替转速的实际值，减少计算量；即：
Figure GDA0003726267010000052
其中，
Figure GDA0003726267010000053
为电机转速的参考值，p为电机的极对数，Lr为电机转子电感，Lm为电机互感；与有功功率类似，电机输出的无功功率可以表示为：
Figure GDA0003726267010000054
电机输出有功功率的参考值为：
Figure GDA0003726267010000061
其中，
Figure GDA0003726267010000062
为转速外环输出的转矩的参考值，
Figure GDA0003726267010000063
为转速的参考值，与输出的有功功率相对应的输出无功功率的参考值为：
Figure GDA0003726267010000064
其中，
Figure GDA0003726267010000065
为转子磁链的参考值，
Figure GDA0003726267010000066
为磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值，此处的d轴分量为标量，仅用来计算无功功率参考值，不需要转子磁场定向。
本实施例中，根据下一时刻电流和转子磁链的预测值，将预测值代入有功和无功计算公式中，即可计算有功预测值和无功预测值。
S2：通过修改代价函数实现对功率因数的直接控制。
预测功率因数的代价函数为：
J＝ΔPe+ΔQe+ΔS (8)
其中，
Figure GDA0003726267010000067
ΔPe的表达式与预测功率控制不同。
功率因数的定义是有功功率除以无功功率，在实际控制器中，引入除法会带来许多麻烦，例如过零点问题。因此，基于功率因数的原理，本实施例提出了一种简化的预测功率因数控制实现方法。
预测功率因数控制的目的是提高电机驱动系统的功率因数，即提高有功功率在输入视在功率中的占比。因此，降低输入视在功率是一种实现该目的的直接方法，根据定义，视在功率可以定义为：
Figure GDA0003726267010000071
降低输入视在功率的方法是，在下一控制周期，对每一个电压矢量所对应视在功率进行排序，设最小视在功率对应的权系数为零，其余功率对应的权系数为λ1，即：
Figure GDA0003726267010000072
在降低输入视在功率的同时，还应保证输出有功功率不变。具体方法与对视在功率的做法类似，首先，对输出有功功率进行排序，然后，给最大输出功率添加一个权系数λ2，即：
Figure GDA0003726267010000073
其中，λ2是最大输出功率权系数。
考虑到在实际计算过程中，预测控制计算量较大，计算时间较长，还应施加延时补偿，即上述所有k+1时刻的预测值均用k+2时刻的预测值代替。
综上所述，本发明所述方案的关键就在于：利用合理设计的代价函数，通过最大化输出有功功率和最小化输入视在功率，实现对感应电机电机驱动系统功率因数的优化。
接下来，在感应电机预测功率因数控制的基础之上，介绍永磁同步电机预测功率因数控制。因为永磁同步电机的转子为永磁体，所以不需要消耗无功建立磁场，因此输出无功功率为零。经过推导，永磁同步电机驱动系统输出反电动势可以表示为：同步转速和永磁链幅值的乘积。利用转子磁场定向，其反电动势的d轴分量也为零。同时对于表贴式永磁同步电机而言，为实现最大电流转矩，应控制定子电流全部作用于产生转矩，因此，其d轴分量为零。基于坐标变换理论和上述推导，永磁电机驱动系统的输出有功功率可以表示为：
Figure GDA0003726267010000081
其中，ed、eq、eα、eβ分别为转子侧感应电动势的dq轴和αβ轴分量，id、iq、iα、iβ分别为定子电流的dq轴和αβ轴的分量。Ψf为永磁体磁链，ωe为电机同步速，is为定子电流。
继而，无功功率表达式为：
Figure GDA0003726267010000082
其有功功率的参考值为：
Figure GDA0003726267010000083
其中，
Figure GDA0003726267010000084
为输出转矩的参考值，无功功率参考值为0。
永磁同步电机预测功率因数控制的代价函数与感应电机驱动系统一致，均可表示为：
J＝ΔPe+ΔQe+ΔS (15)
其中，ΔQe为无功功率预测值与参考值的差，有功功率和视在功率的处理方法与感应电机一致，即分别对有功功率和视在功率排序，然后添加权系数。
系统控制框图如图3所示。整体控制流程如下：首先通过量测装置收集电机信息，并对其加工处理；然后，基于预测控制的基本原理计算相关变量的预测值；接下来，分别计算有功、无功功率参考值与预测值的误差；同时，基于本发明所提出的预测功率因数控制策略，在代价函数中添加相应系数；最后，基于上述工作构建合适的代价函数，计算之后打出最小代价函数对应的开关矢量。
综上所述，本发明再不需要额外添加硬件的情况下，直接控制电机驱动系统的功率因数，并且与传统方法相比，兼顾了系统动态响应速度功率因数的优化，是双碳背景下一项针对电机驱动系统的节能新技术。
实施例2：
本发明实施例2提供了一种电机驱动系统预测功率因数控制系统，包括：
数据获取模块，被配置为：获取电机端的运行参量数据；
电机控制模块，被配置为：根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
所述系统的工作方法与实施例1中的相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种电机驱动系统预测功率因数控制方法，其特征在于：
包括以下过程：
获取电机端的运行参量数据；
根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
2.如权利要求1所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法，其特征在于：
视在功率为电机输出有功功率的平方与电机输出无功功率的平方的加和的开方。
3.如权利要求1所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法，其特征在于：
k+1时刻的电机输出有功功率预测值和电机输出无功功率预测值采用k+2时刻的预测值代替。
4.如权利要求1所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法，其特征在于：
当电机为感应电机时，感应电机输出有功功率的参考值为电机转速参考值与转矩参考值的乘积；
感应电机输出无功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值，再与系数3/2的乘积。
5.如权利要求1所述的电机驱动系统预测功率因数控制方法，其特征在于：
当电机为永磁同步电机时，无功功率的参考值为零。
6.一种电机驱动系统预测功率因数控制系统，其特征在于：
包括：
数据获取模块，被配置为：获取电机端的运行参量数据；
电机控制模块，被配置为：根据获取的运行参量数据，以预设代价函数最小为目标，得到电机的开关控制指令；
其中，预设代价函数为第一变量、第二变量和第三变量的加和；
当有功功率为非最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，当有功功率最大值时，第一变量为电机输出有功功率预测值与电机输出有功功率参考值之差的平方，再与最大输出功率对应的权系数的差值；
第二变量为电机输出无功功率预测值与电机输出无功功率参考值之差的平方；
当视在功率为最小值时，第三变量为零，当视在功率非最小值时，第三变量为非最小视在功率对应的权系数。
7.如权利要求6所述的电机驱动系统预测功率因数控制系统，其特征在于：
视在功率为电机输出有功功率的平方与电机输出无功功率的平方的加和的开方。
8.如权利要求6所述的电机驱动系统预测功率因数控制系统，其特征在于：
k+1时刻的电机输出有功功率预测值和电机输出无功功率预测值采用k+2时刻的预测值代替。
9.如权利要求6所述的电机驱动系统预测功率因数控制系统，其特征在于：
当电机为感应电机时，感应电机输出有功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的q轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值；
感应电机输出无功功率的参考值为电机互感、电机的极对数、转子磁链的参考值、磁链PI外环输出的d轴定子电流的参考值以及电机转速的参考值的乘积，再与电机转子电感的比值，再与系数3/2的乘积。
10.如权利要求6所述的电机驱动系统预测功率因数控制系统，其特征在于：
当电机为永磁同步电机时，无功功率的参考值为零。
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