矩形边界限定形式的感应电机低开关频率预测控制研究

圆形边界限定形式预测控制对电流畸变的限定在各方向均相同,无法通过增大边界圆半径进一步降低开关频率。因此,该文提出一种矩形边界限定形式的预测控制方法。首先,深入分析感应电机数学模型,发现感应电机转子子系统的低通物理特性,以及励磁电流波动对电磁转矩的影响不显著;其次,利用该特性,将限定边界改为矩形,对转矩电流与励磁电流进行独立约束,适度增加励磁电流畸变允许限值,扩大电流轨迹运动范围,延长开关状态切换时长;再次,探究电流矢量梯度同边界约束间的数学关系,提出该方法下电压矢量筛选与寻优准则,筛选出最优矢量;最终,进行实验对比。实验结果证明,在相同系统动态特性和转矩波动下,相较于圆形边界限定策略,矩形边界限定策略可以进一步降低开关频率。

低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

大功率并网变流器离散域电流控制策略

兆瓦级大功率并网变流器的开关频率较低,延迟和离散化误差对控制性能影响较大,导致动态响应慢、电网背景谐波影响大等问题。因此,直接离散域控制系统设计成为必要。该文针对LCL滤波并网变流器建立离散域数学模型,并基于此提出桥臂侧电流和网侧电流融合的离散域电流控制器。同时,为了在不额外增加电流传感器和检测电路的情况下获取并网电流信息,设计电容电压微分器,实现网侧电流的估算,降低硬件复杂性和控制成本。研究表明,该文设计的离散域电流控制器,具有较好的动态性能和电网背景谐波抑制能力。最后,通过硬件在环半实物仿真系统对所提设计进行了实验验证。

MMC低开关频率的自适应降损控制策略

针对半桥型模块化多电平换流器(MMC),本文提出了一种低开关频率的自适应降损策略,解决了最近电平逼近调制(NLM)策略和基于排序算法的电容均压控制策略导致的换流阀功率器件开关损耗较高的问题。首先,分析了MMC内部悬浮电容均压效果与其开关频率间的制约关系,明确实际工程应用对子模块电容电压均衡性的要求,为后续低开关频率的自适应降损控制策略提供理论依据。其次,基于所设置子模块电容电压动态限值、流经子模块的电流方向以及子模块工作状态,确定每个周期内子模块投入优先级,从而减少非必要的子模块附加投切动作,降低子模块开关频率。然后,利用线性插值方法,实现不同系统传输功率下子模块电容电压动态限值的自适应调整,进一步降低子模块开关频率。最后,基于在Matlab搭建的MMC仿真模型,验证了本文所提方法。

低开关频率下基于高频方波电压注入法的永磁同步电机无位置传感器控制策略

文章提出了一种永磁同步电机低开关频率下利用注入的高频方波电压在低速工况下估计转子位置的方法。通过注入电压产生的q轴电流变化量获得估算转子位置误差的结论,设计龙贝格状态观测器利用q轴电流变化量估算转子位置,并给出了一种简单的龙贝格状态观测器零极点的设计方法。试验结果表明,文章所提的无位置传感器控制策略在低开关频率下估算转速与转子位置能准确跟踪真实值。

BV-620LF型可控震源不行车故障排除

BV-620LF型可控震源是从2013年开始投入使用的一种低频可控震源。目前由于此型号震源设备状况老化,加上野外恶劣的施工状况,经常出现合流电液逻辑控制及保护系统问题,导致合流切换不正常而无法行车的故障现象。本文介绍了一个典型的不行车故障排除案例,通过分析震源驱动及合流控制原理,找出了引起这一故障的原因。

负载变化下无传感器感应电机主动零频穿越及脉动抑制策略

无速度传感器感应电机系统在低速、变负载工况运行时,转速可观测性较差。为此,提出一种负载变化下无传感器感应电机主动零频穿越及脉动抑制策略。首先,基于误差系数矩阵行列式分析,阐述了低速发电不稳定的原因,揭示了负载变化对感应电机低速运行稳定性的影响,指出负载变化下恒励磁电流策略存在转速不可观测、系统稳定性差等问题。进而,以提高负载变化下系统的转速可观测性为目标,引入主动零频穿越策略,并基于定子电流限制推导出励磁电流自适应变化区间与其修正步长。为提升系统稳态带载能力,分析了同步转速限制值对电机转矩输出能力的影响,并给出同步转速限制值取值范围。此外,为抑制主动零频穿越过程中的转速/磁链/电流脉动,保证电磁转矩和负载实时匹配,提出转矩电流相位补偿方法。最后,在2.2 kW的感应电机实验平台上验证了所提方法的有效性。

改进圆形边界限定的永磁同步电机预测控制

基于边界限定的预测控制是一种有效的低开关频率电机控制方法,该文针对该方法应用在永磁同步电机时存在的无法正常启动的现象进行研究,并提出改进方法。首先,对无法启动现象产生的原因进行研究,提出常规方法存在启动扭矩电流极限这一猜想,即在启动转矩电流较大时,所有的电压矢量均无法使电流轨迹进入到边界内,因此电机无法顺利启动。随后,分析不同电压矢量作用下的启动电流轨迹,验证其启动扭矩电流存在极限这一猜想,进而求解出启动扭矩极限的一般形式,并通过仿真验证了该极限值的正确性。针对启动扭矩受限问题,提出一种改进的电压矢量寻优策略,在所有电压矢量均不符合需求时,切换到能够使电流误差最快减小的电压矢量,进而保证闭环调速顺利启动。仿真与实验结果证明了改进方法的有效性,通过对比实验,验证了该方法在低开关频率下的优越性。

基于优化PWM的定子磁链轨迹跟踪控制研究

在异步电机的高性能控制方案中,为了降低开关损耗,采用优化脉宽调制(PWM)实现低开关频率下较小的电流谐波畸变。但在调制模式频繁切换时,优化PWM会产生电流和转矩冲击。因此,研究了将优化脉冲在线移位的闭环定子磁链轨迹跟踪控制方法,提出了由基于自控电机的降阶观测器与电机电流模型观测器组成的双观测器模型,实现了基波分量观测。结合电流谐波最小脉宽调制(CHMPWM)开关角,利用其重构参考磁链与实际磁链的差值,实现定子磁链轨迹跟踪。提出了无差拍下修正开关角小于2时的脉冲模式调整方案,消除了系统的动态调制误差,实现了低开关频率下异步电机的高性能控制。在开关频率为300 Hz以下的NPC型三电平逆变器上的仿真和试验证明了定子磁链轨迹跟踪控制策略的有效性。

基于矩形区域分类的NPC型H桥级联五电平逆变器简化模型预测电压控制

为进一步提高中点电压钳制(neutral point clamped,NPC)H桥级联五电平逆变器的动态响应、降低控制器计算负担的同时确保装置低损耗运行,文中在电压矢量矩形区域分类的基础上,提出一种以满足动态响应和降低开关损耗为目标的两级优化模型预测电压控制策略。首先根据逆变器数学模型和期望电流进行目标电压矢量计算、修正,接着基于矩形区域分类对目标电压矢量进行定位;并以定位后的候选矢量为基础,设计了两级优化目标函数以输出满足要求的最优矢量。仿真和实验结果验证了该方法的有效性,与空间矢量脉宽调制以及传统模型预测电流、电压控制策略相比,该文所研究的两级优化模型预测电压控制策略,在确保逆变器动态响应的前提下既能降低控制器计算负担,还能有效减少器件开关损耗。

永磁同步电机低开关损耗模型预测控制

为了降低永磁同步电机控制器的开关损耗,提出了一种基于模型预测的低开关损耗控制策略,并充分考虑了最大电压和电流限制。利用最优化方法,将带最大电流和电压限制的模型预测控制(MPC)问题转化为有不等约束的最优化问题,采用了常用的id=0控制策略。为了降低开关损耗,将逆变器的开关损耗函数引入最优化问题的目标函数,导致最优化问题变成不可解的双目标最优化问题。为此将原目标函数转化不等约束,从而使得双目标最优化问题转化为常规的单目标最优化问题,通过最小化目标函数计算最优的开关序列以降低开关损耗。基于模型预测的低开关损耗采用最速下降法在线优化拉格朗日系数,以提高控制的稳定性和可靠性。实验结果表明,基于模型预测的低开关损耗能够有效地降低开关损耗,并且具有较好的动态性能和较小的电流谐波。在提高永磁同步电机控制器效率和节能减排方面具有一定的优势。

低开关频率下的地铁牵引电机定子磁链控制技术

降低开关频率造成地铁牵引电机定子磁链谐波较大,无法保证其安全稳定运行。为此,在低开关频率约束下,提出基于连续型操作的牵引电机定子磁链控制技术。计算旋转磁场和转子的转速差,利用定子电阻、电角速率等参数创建牵引电机等效电路,明确牵引电机运行情况;将定子静止坐标系中的电流与磁链视作变量创建滑模观测器,获得定子磁链当前观测值;运用间接定子量控制法增强牵引电机低速控制能力,推导定子磁链与电磁转矩在静止坐标系中的空间向量;面对中高速运行电机速率,采用连续多磁链控制策略,将磁链轨迹从圆形平滑过渡到多边形,完成平滑的定子磁链闭环控制。实验结果表明,所提方法很好地控制了转矩波动与电流冲击,提高了牵引电机系统的整体控制能力,在长时间工作下依旧能保证地铁可靠运行。

基于复矢量调节器的低开关频率PWM整流器研究

为了提高中压大功率PWM整流器出力,需要降低PWM开关频率,但将造成PWM整流器id、iq电流分量耦合严重的现象。为解决这一问题,在对两电平PWM整流器进行复矢量信号建模的基础上,设计新颖的基于复矢量的电流调节器,该调节器能在低开关频率下实现对网侧电流d、q分量的有效解耦。Matlab仿真及DSP实验结果验证了本设计方法的可行性。

中高功率交流电机逆变器的低开关频率控制策略综述

为了降低开关损耗,中高功率逆变器运行的开关频率都比较低,通常只有几千Hz有时甚至只有几百Hz,载波调制或是常规的SVPWM在降低开关频率之后会产生严重的电流畸变,需要使用特殊的开关策略控制逆变器。目前,适用于中高功率逆变器的控制策略主要有最优脉宽调制以及预测控制两大类。最优脉宽调制策略基于调制的思想,是一类较为成熟的逆变器低开关频率控制策略,应用广泛,但其计算量大、动态特性差的问题逐渐被学者们发现。预测控制虽然早在1983年就被提出,但由于当时控制器的硬件限制,一直没有引起重视,直至近年来才受到国内外学者的关注,并掀起了研究热潮。该文对最优脉宽调制以及预测控制进行了回顾,剖析了它们的设计思想,总结了近几年的研究成果,分析了各类方法的特点和局限,对待研究的问题进行了阐述,对未来的研究方向进行了展望。

基于复矢量调节器的低开关频率同步电机控制

为提高中压大功率变频器出力,需要降低器件的开关频率,这会导致脉宽调制(pulse width modulation,PWM)响应滞后,影响定子电流磁化分量和转矩分量间的动态解耦效果。受低开关频率制约,常规的比例积分(proportionalintegral,PI)及前馈补偿PI调节器难以满足系统要求。为改善这一问题,在对电励磁同步电机进行复矢量信号建模的基础上,充分考虑信号采样的延迟和开关器件在低开关频率下的惯性特性,结合经典的控制理论分析方法,设计了一种新颖的基于复矢量的电流调节器。该调节器能在低开关频率下实现对定子电流磁化分量和转矩分量的有效解耦,动稳态性能良好。Matlab仿真及DSP实验验证了该调节器的有效性与可行性。

基于时间辅助信息的感应电机预测电流控制

模型预测控制具有滚动优化、反馈校正的优点,近年来在电力电子领域受到广泛关注,很多学者提出了诸如预测磁链控制、预测转矩控制、预测电流控制的电机控制方法,其中预测电流控制无需进行权重设计,具有直接输出电压矢量的特点,算法相对简洁,容易实现。预测控制在采取简单的事件触发机制时,电流轨迹超出边界后才会触发算法选择新的电压矢量;但由于不可避免的系统软硬件延迟,当新矢量作用于电机时,电流轨迹已经大幅超出边界。为此,提出一种电压矢量时间辅助切换机制,减小电流超出边界圆的几率,有效抑制电流畸变;并针对预测电流控制矢量轮询相互独立的特点,应用多核数字信号处理器(digital signal processor,DSP),将并行处理技术引入预测电流控制,提高系统的在线实时性。在两电平感应电机实验平台上进行测试,实验显示系统的处理速度提升了22%;同时,针对采样频率对开关频率的影响进行测试,发现提升系统的在线实时性有助于降低逆变器的开关频率。

一种低开关频率PWM整流器的满意预测控制策略

结合满意控制和模型预测控制两者的优点,提出一种三电平脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器的满意预测复合控制方案,实现了低开关频率下PWM整流器的高效运行,进而降低开关损耗、抑制电磁干扰。给出三电平PWM整流器的离散数学模型,分析其模型预测控制的实现方法,着重探讨满意预测控制器的设计,并给出PWM整流器隶属度的模糊判决方案。针对三电平拓扑存在的高du/dt冲击问题,给出其对应优化开关序列,消除du/dt冲击的同时,降低了系统计算耗时。仿真和实验结果表明,系统在低开关频率下运行时能有效抑制输入电流畸变,保证较高的功率因数,并保持良好的动稳态性能。

一种改进的永磁同步发电机模型预测共模电压抑制方法

模型预测控制因具有实现简单、控制灵活等优点而在大功率电压源逆变器控制领域受到广泛关注。然而,传统的模型预测控制方法因采用零矢量而导致共模电压较大。直接弃用零矢量的模型预测控制方法虽然可以减小共模电压,但仍然存在计算量较大、开关频率较高等问题。因此,提出了一种改进的永磁同步发电机(permanent magnet synchronous generator,PMSG)模型预测共模电压抑制方法。所提出的方法每个周期采用4个非零矢量进行优化运算,包含3个相邻非零矢量和1个不相邻非零矢量,从而降低了开关频率,且不影响电流控制。此外,文中还通过实验研究了所提出的共模电压抑制算法对PSMG转速控制的影响。实验结果表明,所提方法可以降低共模电压和开关频率,减小计算量,且不影响PMSG的电流和转速控制性能。

基于双边界圆限定策略的感应电机预测控制研究

为了减小交流电机驱动系统的开关损耗,需要尽可能降低逆变器的开关频率。预测控制是一种可以有效降低逆变器开关频率的新方法,近年来逐步成为学界的研究热点。基于单边界圆电流谐波限定策略的预测控制虽然可以降低逆变器开关频率,但当电流矢量位于边界圆内部时,该策略不断预测新的电压矢量,并替换原有的电压矢量,这很容易造成开关状态过早切换。因此,提出双边界圆限定策略:设定用于判断电流矢量位置的两个边界圆,当电流矢量处于内边界圆内部时,保持当前的电压矢量不变,从而避免开关状态过早切换,可以进一步降低开关频率。该文以仿真验证了双边界圆策略的可行性,通过实验测试了基于双边界圆限定策略的感应电机闭环调速系统控制性能,并对两种电流谐波限定策略在降低开关频率方面的效果进行了实验对比。实验结果显示,双边界圆限定策略可以实现感应电机的闭环调速,且能够将开关频率控制在0.6~1.6k Hz,比采用单边界圆策略时降低了1k Hz。

一种改进的异步电机模型预测直接转矩控制方法

提出一种改进的模型预测直接转矩控制方法,通过磁链和转矩方程设计出一种优化矢量选择器,能够根据转矩和定子磁链的给定值得到给定的电压矢量.该方法只需对给定电压矢量所在扇区的3个电压矢量进行价值函数评估,使得在线优化计算量得到有效降低.针对由控制延时导致的定子电流在参考值附近振荡并增加电流纹波和转矩脉动,采用延时补偿提高了控制系统的性能.通过在模型预测直接转矩控制的价值函数中加入开关切换次数约束,能够在兼顾转矩和磁链偏差的同时进一步降低逆变器开关频率.最后,通过仿真和实验验证了所提出方法的有效性和可行性.