[发明专利]四象限感应电机驱动系统的模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种四象限感应电机驱动系统的模型预测控制方法，包括：根据测量的相电流和转速估算感应电机的定子、转子磁链；根据两个电容电压计算整流侧和逆变侧的电压矢量；预测下一采样时刻八个电压矢量对应的有功功率和无功功率；预测下一采样时刻四个电压矢量对应定子磁链的绝对值、转矩、电容电压值；速度外环和母线电压外环采用比例积分调节器，调节器输出有功功率给定和电机磁链给定；通过预测值和给定值构建系统的目标函数，分别计算共享桥臂开关状态为0和1时，整流侧和逆变侧的最优目标函数，以及对应的最优开关状态组合；比较共享桥臂开关状态为0和1时的最优目标函数，施加较小目标函数对应的整流和逆变侧的开关组合到功率变换器。

技术领域

本发明属于中大功率的变频调速技术领域，更具体地，涉及一种四象限感应电机驱动系统的模型预测控制方法。

背景技术

四象限的变频调速系统由于其高效节能的特点在风力发电等中大功率场合得到了广泛的应用，其功率变换器主要包含整流环节(即AC/DC变换器)和逆变环节(即DC/AC变换器)。整流环节实现能量的双向流动和功率因数控制，逆变环节实现电动机的变频调速。然而，该拓扑结构由12个功率管构成(6个用于整流，6个用于逆变器)。其中逆变器一旦发生故障，整个系统便丧失了正常工作的能力，轻则造成巨额经济损失，重则发生人员伤亡和灾难性后果。

随着工业界对中大功率变频调速系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时故障诊断和容错控制方法受到高度重视。然而目前对功率变换器容错的研究主要集中在对单管故障或者故障发生在同一个桥臂的情况进行处理和研究，对功率管故障发生在不同桥臂的复合故障研究得比较少。四桥臂四象限功率变换器，即在故障发生在逆变器后，将故障桥臂对应相接入电容中性点，另一相接入整流器的正常桥臂构成四桥臂的双PWM变换器以实现容错控制。四桥臂的功率变换器由于可以不添加额外的功率变换器可以实现两桥臂故障的四象限功率变换器的容错控制，受到工业界和学术界的广泛关注。

然而，由于四桥臂的功率变换器存在整流器和逆变器的输出的电压矢量相互耦合，控制自由度减少，电压存在显著波动和漂移等问题，并且目前采用的PWM控制方法难以实现高性能的控制要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供一种在两桥臂功率管故障情况下的四象限感应电机驱动系统的模型预测控制方法，能在桥臂共享的情况下，实现整流子系统和逆变子系统的独立控制。

本发明提供一种四桥臂的可控整流变频调速系统的模型预测控制方法，包括以下步骤：

S1、分别测出三相电网电压三相电网电流三相电机电流母线电压u_d和电机转速ω；

S2、在整流侧计算有功功率的给定值P*，在逆变侧计算转矩的给定值

S3、通过所述母线电压u_d计算各开关状态下的电压矢量当前时刻的值；

S4、通过所述电机转速ω和所述三相电机电流估算转子磁链然后计算定子磁链其计算公式如下：

其中，τ_r＝L_r/R_r为电机转子时间常数；R_r是电机的转子电阻；L_m、L_r、L_s分别为电机定转子互感、转子电感和定子电感；σ＝1-L_m²/L_sL_r是电机漏感系数；

S5、在逆变侧，预测下一采样时刻所有电压矢量对应定子磁链和电磁转矩T_e(k+1)，P_N为额定输出功率，T_eN,是额定转矩和定子磁链，在整流侧，预测下一采样时刻有功功率P(k+1)和无功功率Q(k+1)；