基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

永磁同步电机低共模电压和低复杂度无差拍预测控制

针对永磁同步电机无差拍预测控制共模电压较大的问题,在一个控制周期内采用相位相反的基本电压矢量来生成虚拟零电压矢量抑制共模电压,并采用动态选择虚拟电压矢量生成方式来减小开关频率。为了提升无差拍预测控制性能,构造12个虚拟非零电压矢量来增加备选电压矢量。仿真结果表明:与7个基本备选电压矢量相比,基于19个备选电压矢量的无差拍预测控制降低转矩脉动6.89%,降低磁链脉动13.33%,同时共模电压也得到有效抑制。相较固定生成方式,动态选择虚拟电压矢量生成方式可降低开关频率25.89%。虽然该方法可有效提升系统性能,但增加遍历次数,极大增大计算量。为提高算法实时性,提出一种通过判断理想电压矢量所在区域来确定最优电压矢量简化确定方法,无需遍历计算,减小运算负担。基于STM32H743IIT6单片机实时性试验表明:相较于7个基本电压矢量,采用19个电压矢量算法执行时间增大273.40%,最优电压矢量简化确定方法执行时间减小88.09%。

永磁同步电机模型预测转矩控制共模电压抑制研究

针对永磁同步电机模型预测转矩控制共模电压较大的问题,对比分析了磁链、转矩和共模电压共同控制、直接去除零电压矢量和虚拟零电压矢量三种抑制共模电压的方法。仿真结果表明,三种方法均可有效抑制共模电压。前两种方法均未采用零电压矢量,导致磁链脉动和转矩脉动增大;虚拟零电压矢量方法既保留了零电压矢量,又有效抑制了共模电压,但开关频率有所增大;动态虚拟零电压矢量选择开关次数最小的零电压矢量生成方式,可在控制性能基本相当的前提下,有效减小开关频率,综合性能最优。

不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性及稳定性分析

直驱风电机组与弱交流电网或柔性直流输电系统间相互作用易导致宽频振荡问题。现有研究普遍认为,直驱风电机组与交/直流电网间的交互特性主要取决于其网侧变流器,故通常忽略直驱风电机组的机侧系统动态。已有文献讨论传统矢量控制下机侧系统对直驱风电机组并网特性的影响,但针对不同控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性尚缺少相关研究。文中针对4种典型控制策略下直驱风电机组的机网耦合特性进行比较研究。首先,推导并验证了直驱风电机组在不同控制策略下的详细阻抗模型;然后,基于机网耦合度指标对直驱风电机组的机网耦合特性进行对比分析,得出不同控制策略下机侧系统动态对直驱风电机组交流侧阻抗特性及并网稳定性的影响;最后,通过直驱风电机组并弱交流电网分析案例验证了理论分析的正确性。

基于新型虚拟矢量调制方法的IPMSM模型预测电流控制方法

模型预测控制方法已经被广泛应用于内置式永磁同步电机(IPMSM)的控制之中,传统模型预测控制方法由于候选电压矢量数量有限,在电机运行过程中会产生较大的电流和转矩谐波。为了增加候选电压矢量数量,提出了构建虚拟电压矢量的方法。但是在应用虚拟矢量调制方法时,系统计算的负担会随虚拟矢量数量的增加而增加,因此控制效果会受到系统计算能力的限制。针对此问题,该文提出了一种新型的虚拟电压矢量调制方法,首先将电压扇区进行细分来增加虚拟电压矢量的数量,然后通过对指令电压矢量坐标进行标幺化处理的方法求得其角度,最后从基础和虚拟电压矢量之中由角度搜索选出最优电压矢量。在该方法中,系统的计算量大小与虚拟电压矢量的数量无关,因此可以在不增加系统计算负担的情况下提升系统的控制性能。实验结果表明,与虚拟矢量数量受到限制的虚拟矢量预测控制方法相比,该方法有效减少了三相电流谐波含量,并且减少了控制算法的执行时间。

一种改进的双三相永磁同步电机无价值函数模型预测转矩控制

针对双三相永磁同步电机(DTP-PMSM)传统模型预测转矩控制策略转矩性能较差的问题,提出了一种基于虚拟电压矢量的无价值函数模型预测转矩控制策略。首先,对矢量空间解耦(VSD)的数学建模方法进行研究,建立了基于VSD的DTP-PMSM数学模型;其次,构建了一组12个无需矢量替换的虚拟电压矢量,通过无差拍直接转矩和磁链控制预测出参考矢量的角度位置和幅值信息,并筛选出最优虚拟矢量,该方法避免了虚拟电压矢量的遍历寻优从而大幅减小计算负担;同时,通过一种简化的矢量幅值调整方法使该最优虚拟矢量的幅值大小无限逼近参考矢量幅值大小,有效降低转矩脉动;最后,搭建了试验测试平台,将所提策略与传统策略进行对比。结果表明,所提策略有效减小了谐波电流和转矩脉动。

并网变换器低复杂度多步递进优化虚拟矢量模型预测控制策略

为解决并网变换器有限控制集模型预测控制输出电流纹波较大的问题,提出一种并网变换器低复杂度多步递进优化虚拟矢量模型预测控制策略。首先,该方法通过构建各扇区的电压误差方程,对各扇区电压矢量误差进行量化评估。其次,在各扇区电压误差最大的位置上设计虚拟矢量,以减小电流控制误差。然后,通过所提的多步递进优化方法进一步量化分析含有虚拟矢量的各扇区电压矢量误差,并在电压误差最大的位置设计虚拟矢量,进一步减小控制误差。使用该方法进行多次优化,并确定最终优化虚拟矢量,有效减小了输出电流纹波。最后,为降低计算负担设计了扇区判断简化搜索方案,将每个大扇区分为6个小扇区,从而减少候选电压矢量个数,提高了系统的动态响应速度。通过对比实验验证了所提方法的有效性。

基于虚拟电压矢量的永磁同步电机模型预测转矩控制

针对传统永磁同步电机有限控制集模型预测转矩控制(FCS-MPTC)中的电流波动较大,提出了一种基于虚拟电压矢量的永磁同步电机模型预测转矩控制(VFCS-MPTC),该策略扩展了候选电压矢量控制集。与传统的FCS-MPTC相比,VFCS-MPTC在保持恒定开关频率的同时,较大降低了转矩纹波和电流谐波。采用了一种新的电压矢量优化选取策略,将候选电压矢量的数量从38个减少到9个,VFCS-MPTC在不影响控制性能的情况下显著降低了计算负担。通过仿真对比验证了VFCS-MPTC的有效性。

高速磁悬浮用直线同步电机电流控制策略研究

高速磁悬浮列车采用直线同步电机作为其驱动装置,其电流控制效果直接影响列车运行稳定性及舒适性。针对直线电机功率较大的特点,单相驱动时采用多H桥串联方案,并可实现高低速运行时驱动拓扑切换,矢量控制中电机电流经过坐标变换后dq轴电流存在严重的交叉耦合,并且耦合分量随着车速的增加不断增大,从而降低了电流控制性能。为了提升电机动态控制效果,提出复矢量电流控制方法,并采用虚拟电阻解决了不同调制方式下电流振荡问题,通过半实物仿真平台对控制性能进行了验证,仿真和实验结果表明了电流控制策略的可行性和有效性。

基于光储虚拟同步机的模型预测双环协同优化控制策略

随着新能源和电力电子设备的渗透率不断提高,引起新型电力系统惯量不足和稳定性下降等问题。以光储一体机并网系统为例,提出一种基于虚拟同步机(virtual synchronous generator, VSG)的模型预测双环协同优化控制(model prediction double-loop co-optimisation, MPDC)策略。在功率外环方面,根据同步发电机转子频率特性,采用模型预测控制对不同阶段的VSG参考功率进行修正。在内环方面,选取有限集三矢量模型预测电流控制(finite control set-three vector-model predictive current control, FCS-TV-MPCC)实现准确跟踪外环输出参考电压。仿真与实验结果表明,所提控制策略能提高频率跟踪精度,且与传统控制方法相比,在负载发生突变情况下可减小系统频率超调,同时降低频率变化率,从而改善有功调频特性。

基于虚拟空间矢量的中点平衡混合调制策略

针对二极管箝位型三电平逆变器(NPC)的中点电压不平衡问题,首先分析中点电位不平衡的成因与影响,其次针对基于冗余小矢量的中点电位控制方法无法在高调制比区域抑制中矢量所导致的中点电位波动问题,提出一种基于虚拟空间矢量的中点电位混合调制策略。该方法在低调制比区间采用电荷守恒法,在高调制比区间引入虚拟空间矢量调制,并采用模糊控制器对虚拟小矢量的系数进行调节,使其具备闭环反馈控制的能力,能有效抑制中点电位的偏移。仿真实验结果验证了该方法的正确性和有效性。

基于虚拟矢量优选的FCS-MPC稳定性策略研究

为了提高并网逆变器有限集模型预测控制(FCS-MPC)方法中的稳定性问题,研究了基于Lyaponov准则的并网逆变器有限集模型预测控制大信号稳定性方法。首先建立数学模型,分析参数变化对预测误差的影响和大扰动导致的稳定性问题,接着提出采用虚拟电压矢量的Lyapunov控制器的有限集模型预测控制稳定性策略。利用Lyapunov控制器并结合考虑稳定性约束的目标函数增强系统抗扰动能力,虚拟电压矢量满足Lyapunov稳定性需求,同时改善控制性能,并设计有限集选取策略减少计算量。仿真和实验验证了所提方法在扰动及参数变化情况下控制性能和抗干扰能力。

基于虚拟同步发电机的模型预测电流控制

虚拟同步发电机技术(VSG)因可使逆变器具备同步发电机的特性,得到了广泛的研究和应用。针对虚拟同步发电机使用电压电流串级控制以及脉宽调制(PWM)控制底层的逆变器时,存在控制结构复杂和动态响应能力弱等问题,本文提出了一种基于虚拟同步发电机的模型预测电流控制策略(VSG-MPCC)。该控制策略首先获得虚拟同步发电机的输出电流,将其作为模型预测控制的参考值。其次根据系统的模型对之后的电流值进行预测,最后应用价值函数选择使两者误差最小的电压矢量组合作用于逆变器。所提控制策略省去了传统的电压电流串级控制和PWM调制环节,简化了控制结构并提升动态响应能力,提供了更好的功率和频率支撑。通过Matlab/Simulink仿真和实验验证了该控制策略的有效性。

双三相永磁同步电机缺相容错运行虚拟矢量间接修正方法及其在直接转矩控制中应用

正常双三相电机直接转矩控制运行需要对基本电压矢量进行修正,采用修正后的虚拟矢量进行直接转矩控制可以抑制谐波电流。双三相电机缺一相故障直接转矩控制时,需要对电压矢量重新进行修正。该文给出了双三相电机缺一相故障情况下的电压矢量分布,提出一种双三相电机缺一相运行时虚拟矢量的间接修正方法,并且使虚拟矢量的幅值达到最大。构建双三相电机缺一相容错直接转矩控制策略,其定子磁链分区和开关表的选取规则与双三相电机正常运行时一致,其差别只是缺一相运行时十二个虚拟矢量的幅值有所减少,因此比较易于实现。实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。

永磁游标电机虚拟矢量模型预测控制的研究

针对永磁游标电机(PMVM)模型预测控制策略中因备选电压矢量少和单个采样周期内电压矢量大小方向受限导致存在控制精度低和输出稳定性差的问题,在研究了传统模型预测控制原理的基础上提出了一种基于虚拟矢量的双矢量模型预测控制策略,该控制策略通过构建虚拟矢量的方法扩展了电压矢量有限集个数,在此基础上设计双矢量模型预测控制器,并对代价函数进行优化,提高了控制系统的稳定性和精确性,同时也减小了逆变器的损耗。最后在仿真软件中搭建控制系统模型进行对比仿真验证。结果表明,所提出的控制策略相比与传统模型预测控制策略有更好的动态稳定性和抗干扰性以及更高的控制精度。

基于虚拟电压矢量的磁场定向控制策略研究

针对双三相永磁同步电机(PMSM)矢量控制系统中定子相电流的谐波问题,在采用传统两矢量空间矢量脉宽调制算法的基础上,提出基于最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法的磁场定向控制策略。其次,针对最大四矢量的空间矢量脉宽调制算法计算量大,设计复杂的问题,又提出了基于虚拟电压矢量的空间矢量脉宽调制算法的改进型磁场定向控制策略。最后,通过MATLAB/Simulink仿真平台,验证所提出的改进型控制算法策略的有效性。

基于优化的VSVPWM三电平NPC逆变器控制策略

针对中点箝位(NPC:Neutral-Point-Clamped)型三电平逆变器直流侧上下两个电容电压不一致,以及传统的空间矢量脉宽调制(SVPWM:Spatial Vector Pulse Width Modulation)虽然可在一定的调制度范围内解决两个电容电压不一致,但在较大的调制比下中点电位无法维持平衡的问题,在传统SVPWM和虚拟空间矢量脉宽调制(VSVPWM:Virtual Space Vector Pulse Width Modulation)的基础上优化控制方法。该方法依据电流的流向对不同的正、负小矢量采用不同大小的平衡因子,同时根据中点电位差值,引入电压调差系数,并在此基础上与无差拍控制相结合。该闭环控制策略利用中点电位差值与逆变器三相电流输出值作为反馈量调整输出波形,抑制中点电位。仿真结果表明,该方法在三电平逆变器调制度较高时仍然可以维持直流侧中点电位的平衡,证明了控制策略的正确性和有效性。

基于虚拟矢量的双三相永磁同步电机预测电流控制策略

针对双三相永磁同步电机传统有限集预测电流控制策略中存在电流谐波较大的问题,提出了一种基于虚拟矢量合成的预测电流控制策略。在保证原有良好动态响应能力的基础上,选用基波子平面内大矢量和次大矢量合成的虚拟电压矢量用于预测控制,将谐波子平面的电压幅值抑制为零,然后通过构建价值函数选择出最优虚拟电压矢量,在抑制电流谐波的同时也减小了计算量。由仿真结果可知,所提策略有效抑制了5、7次电流谐波,改善了电流波形,使相电流的总谐波失真降低了49.5%。

基于虚拟矢量预测的三电平间接矩阵变换器-永磁同步电机改进调制模型预测控制研究

针对三电平间接矩阵变换器–永磁同步电机(threelevel indirect matrix converter-permanent magnet synchronous motor,TLIMC-PMSM)系统采用传统的调制模型预测控制(modulationmodelpredictivecontrol,M2PC)时,因M2PC扇区选择和占空比计算不准确等原因造成电机运行波动大和系统波形质量低等问题,提出了基于虚拟矢量预测的改进型调制模型预测控制(virtualvectorprediction-modulation modelpredictivecontrol,VVP-M2PC)。首先,建立TLIMC-PMSM的数学模型,介绍传统M2PC原理。其次,针对三电平逆变级进行改进,对原矢量重新划分扇区,并构造出新的虚拟矢量和新的占空比计算方法来减少电流控制误差,提升波形质量,并比较了2种算法的差异。最后,与MPC控制以及传统M2PC控制进行实验对比,实验结果证明所提算法能够改善PMSM的转速和转矩波形脉动和暂稳态性能,提升系统输入输出波形的质量和鲁棒性。

双三相永磁同步电机驱动系统简易容错控制方法研究

针对双三相电机驱动系统开路故障容错控制问题,依据双三相电机空间矢量解耦理论,提出一种简易的容错控制方法,即虚拟健全系统。研究了双三相永磁同步电机驱动系统单相缺相和开关管故障,给出了基于电流补偿的容错控制和最小铜耗容错控制的参考电流,其中以绕组总铜耗最小为优化目标得到的容错参考电流为全局最优铜耗解。采用重复控制器实现非常规容错控制参考电流的有效精确跟踪。提出的容错控制方法可确保系统容错切换过程中,整体控制框架、数学模型、调制策略均保持不变,仅需改变参考电流,降低了容错控制的复杂度。同时,提出的容错方法也可以扩展到其他相数多相电机的容错控制。