[发明专利]基于状态轨迹外推的模型预测三电平直接转矩控制方法

说明书

技术领域

本发明属于大功率交流电机的低开关频率控制领域，特别是涉及一种异步电机低开关频率控制的基于状态轨迹外推的模型预测三电平直接转矩控制方法。

背景技术

多电平逆变器相对于两电平逆变器具有输出电压更接近正弦波、能降低器件的耐压等级、输出电压和电流谐波含量小等优点。二极管中点箝位型（NPC）三电平逆变器由于结构简单、无须复杂变压器等优点，在实际应用中最为广泛。三电平逆变器每个功率管的耐压限制在直流母线电压的1/2，可提升直流母线的电压容量近一倍，且其输出电压比传统两电平多一个台阶，其谐波特性明显优于两电平。因此，在中、高压变频调速，有源电力滤波装置和电力系统无功等大功率领域有着广阔的应用前景。

三电平逆变器的主要优势体现在中高压大功率场合，通常为减小开关损耗、提高逆变器输出功率，功率器件的开关频率一般限制在几百赫兹。基于脉宽调制的矢量控制方案在低开关频率下由于PWM响应滞后显著，严重破坏系统的动态解耦性能，甚至导致系统无法正常工作。虽然采用复矢量电流调节器可以实现低开关频率下电流的有效解耦，但是随着开关频率的降低存在电流谐波畸变严重的问题。直接转矩控制（DTC）方案通常工作开关频率较高，或者低开关频率下无法取得理想的控制效果。传统的高性能控制方案都难以满足大功率场合几百赫兹低开关频率下高性能控制的要求，如何在低开关频率下既获得较小谐波畸变，又能使系统具有快速响应能力，是交流电机大功率传动高性能控制方面的一大难题。

发明内容

本发明的目的在于针对NPC三电平逆变器驱动异步电机低开关频率的高性能控制，提供一种基于状态轨迹外推的模型预测三电平直接转矩控制方法，使传动系统运行在较低开关频率下（300 Hz左右）能够获得快速的动态响应能力和理想的电流谐波畸变特性。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

本发明采用模型预测控制器代替传统DTC的滞环控制器。所述模型预测控制器由内部状态预测模型和价值函数滚动优化两个模块组成，磁链观测器观测到的定转子磁链、速度传感器测得的转速和上一采样周期输出的开关矢量作为内部状态预测模型的输入，内部状态预测模型的状态输出、转速调节器输出的给定电磁转矩和给定定子磁链作为价值函数滚动优化模块的输入。

所述模型预测控制器根据建立的内部状态预测模型，依据逆变器上一采样时刻的开关状态确定容许开关矢量，针对容许开关矢量通过内部状态预测模型外推输出轨迹，确定一个长的预测范围，然后以逆变器平均开关频率作为价值函数，利用模型预测控制（MPC）的有限时域滚动优化策略，实时求解最优开关矢量作用于逆变器。

所述容许开关矢量根据逆变器的上一采样周期的开关状态确定的逆变器容许开关跳变而定，将容许开关跳变明确界定为跳变必须保持其连续性（即：                                                ）且同一时刻最多只有一相发生跳变，满足容许开关跳变的开关矢量确定为容许开关矢量。

所述预测范围N_p由输出轨迹外推步长确定，也就是外推轨迹直到存在输出变量触及其设定滞环边界为止对应的时间步长。

所述内部预测模型根据NPC三电平逆变器驱动异步电机系统的数学模型和二次型外推方法确定。

所述二次型外推方法根据NPC三电平逆变器驱动异步电机系统的离散化数学模型，确定在k时刻的采样值计算出(k+1)和(k+2)时刻输出矢量的输出轨迹，记为y(k|k)，y(k+1|k)和y(k+2|k)；输出变量轨迹自第(k+2)时刻起以二次型方式外推，根据确定的预测范围N_p，从采样时间步k到k+N_p的输出轨迹为：

二次型系数矢量a，b，c为：

所述的以逆变器平均开关频率作为价值函数的优化准则为：

式中||·||表示一阶范数，u(k)和u(k-1)分别表示当前和上一采样时刻对应的开关矢量。

本发明的优点和积极效果是：