[发明专利]NPC三电平变流器-PMSM系统的模型预测转矩控制方法

说明书

本发明公开了一种NPC三电平变流器‑PMSM系统改进模型预测转矩控制方法。计算偏移阈值，根据偏移阈值将变流器中两个直流支撑电容的中点电压偏移分为两类区域：针对较大的中点电压偏移，每个采样周期内根据当前中点电压偏移计算变流器的中小矢量的实际幅值与相位，进行扇区动态划分；依据不同区域的控制目标，构建价值函数与有限控制集并获得最优电压矢量，以最优电压矢量输出；在最优电压矢量对应的控制时间上加入死区时间输出PWM信号到永磁同步电机进行控制。本发明能提升转矩与磁链控制性能，降低计算量，解决了现有控制中权重系数整定过程复杂、中点电压偏移幅值较大时系统转矩、磁链与电流控制性能下降等问题。

技术领域

本发明属于电机控制领域，更具体的说，是涉及一种中点箝位型(NPC)三电平变流器供电的永磁同步电机改进模型预测转矩控制方法，用于解决中点电压偏移较大时转矩和电流波动大的问题。

背景技术

永磁同步电机(PMSM)具有功率密度大、结构简单、运行噪声低以及效率高等优点。三电平变流器具有相同直流电源供电时单开关器件承受电压应力小、输出电压质量高以及同开关频率下开关损耗小等诸多优点。因此，NPC三电平变流器-永磁同步电机系统在中高压大功率电机驱动场合，如牵引传动、超深井提升中得到广泛应用。

模型预测转矩控制直接考虑变流器离散功率开关管开通关断状态，将变流器开关动作产生的电压矢量代入预测价值函数，选择能使价值函数最小的功率开关管开通关断状态作为下一时刻输入。该控制方法因能够实现多目标多变量优化控制，便于处理系统约束且易于实现，受到工业和学术界的广泛关注。当模型预测转矩控制算法应用于NPC三电平变流器-电机调速系统时，需在两电平变流器模型预测转矩控制算法价值函数中电磁转矩项与定子磁链项的基础上加入中点电压项，达到转矩、磁链、中点电压多目标最优控制。

由于传统模型预测转矩控制算法价值函数中转矩、磁链与中点电压项量纲不同，所以需要对各种权重系数进行整定，整定过程复杂。在两电平变流器下，为解决这一问题，可将价值函数中电磁转矩与定子磁链项统一为转矩项或磁链项，或利用无差拍原理将转矩项与磁链项统一为定子电压项，或将转矩项与磁链项统一为矢量作用时间。但当应用于NPC三电平变流器-电机调速系统时，由于中点电压不能与上述变量统一且不属于定子电压部分，导致上述算法价值函数中仍存在中点电压项，因此仍有权重系数整定这一环节。当权重系数选择不合理或中点电压偏移幅值较大时，会造成电机转矩与磁链控制性能下降且中点电压偏移难以得到有效抑制。

当变流器中点电压偏移幅值较大时(直流侧各直流支撑电容组成的电容网络发生故障导致各直流支撑电容容值不等或直流母线供电不均衡)，空间矢量平面内小矢量与中矢量的幅值与相角会发生变化，若仍按传统空间矢量扇区划分方式构建有限控制集，会导致系统磁链、转矩等性能下降。针对NPC三电平变流器中点电压偏移抑制，Lewicki A和Krzeminski Z等提出对传统空间矢量调制开关序列进行修正，利用小矢量冗余功率开关管开通关断状态来平衡中点电压偏移(IEEE Transactions on Industrial Electronics,vol.58,no.11,pp.5076-5086, 2011年11月)。Lopez I和Ceballos S等使用非最近三矢量合成开关序列，将会增大中点电压偏移的矢量替换为对中点电压没有影响的矢量(IEEETransactions on Power Electronics,vol.31,no.2,pp.928-941,2016年2月)。Choi U和Lee J等采用虚拟空间矢量调制，利用小矢量冗余功率开关管开通关断状态构建虚拟中矢量并通过判断不平衡度并补偿直流侧电压不均衡，进而消除中点电压偏移 (IEEETransactions on Power Electronics,vol.29,no.1,pp.91-100,2014年3月)。但上述方法均为调制方法，并未考虑中点电压偏移对系统转矩与磁链性能的影响，不能直接应用于模型预测转矩控制算法。

发明内容