低开关频率三电平感应电机驱动系统最优预测控制研究

Nowadays a major problem for large power inverter system development is to obtain the high dynamic performance under low switching frequency while without increasing the current harmonic.Based on the physics insight of induction machine drive system, making full use of the continuous character of induction motor and the discrete nature of inverter circuits, high-dynamic predictive control method for medium and high power induction machine drive system will be explored and the research work will be developed as followings..By analyzing the influence of model simplification and the computational complexity, an accurate current prediction model is established. According to the topology of three-level inverter, system constrain is designed and then integrated with predictive control algorithm, which will be extended to three-level inverter system. Meanwhile, intuitive harmonic current boundary circle method is applied to confine the current distortion, hence, the weighting factors tuning problem could be avoided. In addition, the mathematical relationship between boundary circle and current harmonics will be detected and the inner association between boundary circle and inverter switching frequency will be also revealed. Besides, experiment platform will be built to verify the performance of proposed control scheme. The research work of this project could contribute to the study for improving the dynamic performance of medium and high power induction machine drive system within low switching frequency. And the research will also provide some theoretical basis and reference methods with engineering practical value.

在低开关频率下既削弱电流谐波,又能使系统具有快速响应能力，是当前高性能大功率变频系统研发的一大难题。本项目拟从感应电机驱动系统的物理本质出发，基于电机的连续特性和逆变器的离散特性，探索具有高动态性能的中高功率感应电机系统预测控制方法：分析模型简化对预测控制性能的影响，综合考虑计算量问题，推导易于工程实现的高抗干扰感应电机定子电流精确预测模型；依据三电平逆变器的结构特点设计系统约束，并将其与算法有机融合，把预测控制推广到三电平逆变系统；基于直观的电流谐波边界圆限定法抑制电流畸变，规避多个权值调节的问题；通过实验探明边界圆与电流谐波之间的数学关系，研究边界圆与逆变器开关频率间的内在联系，揭示最优预测控制的工作机理；开发柔性实验平台，采用仿真与实验相结合的方法测试算法性能。本项目可以为中高功率感应电机驱动系统降低开关频率的问题提供一些具有工程实用价值的新方法。

常规SPWM或SVPWM的周期固定，不随基波周期、相位变化而变化，随着开关频率的降低，谐波不断增大，导致电机系统无法工作。最优脉宽调制策略虽然可以降低开关频率，但大都需要离线计算，动态特性不高，而且不易与矢量控制结合使用。在低开关频率下既削弱电流谐波,又能使系统具有快速响应能力，是当前高性能大功率变频系统研发的一大难题。本课题从感应电机驱动系统的物理本质出发，基于电机的连续特性和逆变器的离散特性，探索具有高动态性能的中高功率感应电机系统预测控制方法，完成了如下几方面内容的研究：.1）完成了具有高抗干扰性能的感应电机定子电流精确预测模型建模.2）完成了带有直接系统约束的三电平逆变器感应电机预测控制算法.3）完成了电流谐波边界圆限定方法降低逆变器开关频率的工作机理分析.4）完成了电流预测精确模型与最优预测控制算法的融合以及算法测试.课题顺利研发了7.5KW的三电平交流电机控制驱动柔性实验平台，可以通过更换上层DSP核心板，更换核心微处理器，方便测试不同性能微处理器的控制效果。电流采样电路也采用模块化设计，方便依据实验电机的电流范围更换。基于本课题的研究成果，发表期刊论文4篇，其中SCI论文1篇，EI期刊论文3篇。培养硕士研究生共计5人，其中4名硕士研究生已经顺利毕业，1人在读；博士研究生1人在读。基于本课题研究积极开展国内外学术交流活动，2016年、2017年两次邀请预测控制的发明者，IEEE life Fellow德国Wuppertal大学的Holtz教授来校指导本项目，两次合计40余天，向我们传授了相应的测试以及实验技巧并解决实验过程中的关键问题。2016年举办了“大功率驱动系统的新技术”的学术研讨会，邀请Holtz教授、清华李永东教授、中科院温旭辉教授分别作了专题报告。2017年，举办了“永磁同步电机的无传感器驱动技术”学术研讨会，由Holtz教授作为主讲人。两次研讨会不仅吸引了清华大学、中科院、北理工、北交大、北科大、北航、北工大、山东大学、上海大学以及浙江大学的师生，还有西门子、英飞凌、铁道科学研究院、北京二七机车所等业界的专家工程师前来交流。.本课题不但为中高功率感应电机驱动系统降低开关频率的问题提供了一些具有工程实用价值的新方法，而且促进了本研究领域同行之间的学术交流，促进了行业的发展。