异步电机低开关频率的模型预测优化控制研究

基本信息
批准号:51377102
项目类别:面上项目
资助金额:80.00
负责人:宋文祥
学科分类:
依托单位:上海大学
批准年份:2013
结题年份:2017
起止时间:2014-01-01 - 2017-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:阮毅,汪飞,杨影,阮智勇,朱洪志,王浩宇,蒋劲峰
关键词:
开关损耗异步电机低开关频率磁链轨迹跟踪模型预测控制
结项摘要

Medium voltage ac machines fed by high-power inverters operate at low switching frequency to restrain the switching losses of the power semiconductor devices and increase the inverters output power. An established and desired method to reduce the switching frequency without increasing current harmonics is employing the optimal pulse width modulation (PWM) patterns, but it cannot be used to closed-loop control directly since an over-current trip caused by PWM disorders during transient will be encountered. A novel suitable closed-loop control methodology that combines the optimal PWM patterns, is necessary to be investigated for high performance control at low switching frequency. Model predictive control (MPC) uses a model of the system to predict the future behavior of the variables over a time frame, and has significant advantage to include the nonlinearities and constraints easily. In MPC, the controlling quantity in a long prediction horizon is computed and repeated over a shifted horizon at the next sampling instant, thus formulating the receding horizon policy, which provides feedback and robustness to the model inaccuracies of ac machines and control delay. With its excellent merits, MPC presents a new perspectives and path for the high performance closed-loop control of ac machines operated at low switching frequency. Based on a neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter driving induction motors, starting from several core aspects including stator flux trajectory predictive model, receding horizon optimization of pulse patterns, neutral point predictive control under optimal pulse patterns and further study regarding switching losses as optimal control target, this project are expanded through theoretical analysis, mathematical modeling, simulation assessment and experimental evaluation with the receding horizon policy within a prediction horizon of finite length and the extrapolation strategy for the trajectory prediction of system states. The goal of this project is to develop suitable high performance closed-loop control methodologies based on model predictive flux trajectory tracking control, establish an available low switching frequency control methodology, thus to provide reliable theory foundation and technical support to construct novel optimal high performance control methodologies applied to low switching frequency control for the large class of three-phase ac drives.

中高压大功率交流电机传动系统为降低开关器件损耗,减少输出波形谐波畸变,通常需要采用低开关频率的优化脉冲模式,但其不能直接用于高性能闭环控制,因为在动态会造成PWM紊乱、系统过流。模型预测控制通过对控制目标的反复优化,能够不断顾及电机模型的失配和时变、控制延迟以及各种干扰引起的不确定性并及时加以校正,为交流电机优化脉冲模式的高性能闭环控制问题提供了新的思路和途径。因此,本项目从定子磁链轨迹预测控制模型、脉冲模式滚动优化、优化脉冲模式的中点预测控制、以开关损耗为目标的优化控制等几个核心问题入手,选择电压型三电平逆变器驱动的异步电机为实验对象,结合有限预测时域的模型预测滚动优化和预测状态轨迹的外推策略,通过理论分析、数学建模、仿真研究和实验验证,研究建立异步电机低开关频率的模型预测优化控制方法,为形成适用于这类电机驱动系统的行之有效的新型高性能控制方案,提供可靠的理论依据和技术支撑。

项目摘要

在大容量的变频器交流电机传动应用中,鉴于系统工作的高电压和大电流,变频器装置功率开关器件的开关损耗和由此产生的热量不容忽视,降低变频器主电路的开关频率非常必要。这可使其有效降低开关损耗,提升装置效率,增大输出负载电流,并进而增加变频器出力。首先,研究了适用于低开关频率运行的三电平逆变器同步优化PWM方法,以电流低次谐波幅值方程为非线性约束条件,通过设置误差精度,增加了对低次谐波幅值的限制。对求解所需初值通过采用遗传算法求取,优化求解后的开关角具有限制特定谐波幅值和保持较小电流谐波畸变率的特点。其次,提出了采用优化脉冲模式的电机磁链轨迹跟踪建模和滚动优化脉冲模式形成方法,建立了磁链轨迹跟踪预测模型及相应控制问题的优化模型。针对系统性能要求和控制约束条件,研究和设计了模型预测脉冲模式滚动优化计算模型及其数值求解方法。在低开关频率下既能基于优化PWM获得较小谐波畸变,又基于磁链轨迹跟踪获得快速动态响应。再次,将基于定子磁链轨迹跟踪的闭环控制系统与新型中点电位平衡策略相结合,实现了对电容电压波动和偏移的有效抑制。由于所采用的方法从空间电压矢量角度分析,因此对于不同模式的优化PWM具有广泛适用性。进一步地,通过对输出矢量进行轨迹外推,形成长预测范围的输出轨迹,以逆变器的平均开关损耗为价值函数,对不同开关矢量作用的输出轨迹进行在线评估,提出了一种异步电机低开关损耗的模型预测直接转矩控制方法。基于该方法的驱动系统逆变器的开关损耗低,电机转矩和磁链动静态性能良好。最后,提出基于三电平优化矢量选择器的异步电机模型预测直接转矩控制和直接电流控制方案,根据转矩和定子磁链的给定值得到期望的优化电压矢量,只需对有限的四个电压矢量进行优化评估,显著降低了优化过程求解计算量。通过增加对开关切换次数的约束,可以形成具有开关频率限制的模型预测控制策略,在兼顾转矩和磁链偏差的同时降低逆变器开关频率。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

农超对接模式中利益分配问题研究

农超对接模式中利益分配问题研究

DOI:10.16517/j.cnki.cn12-1034/f.2015.03.030
发表时间:2015
2

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

粗颗粒土的静止土压力系数非线性分析与计算方法

DOI:10.16285/j.rsm.2019.1280
发表时间:2019
3

基于LASSO-SVMR模型城市生活需水量的预测

基于LASSO-SVMR模型城市生活需水量的预测

DOI:10.19679/j.cnki.cjjsjj.2019.0538
发表时间:2019
4

低轨卫星通信信道分配策略

低轨卫星通信信道分配策略

DOI:10.12068/j.issn.1005-3026.2019.06.009
发表时间:2019
5

中国参与全球价值链的环境效应分析

中国参与全球价值链的环境效应分析

DOI:10.12062/cpre.20181019
发表时间:2019

宋文祥的其他基金

相似国自然基金

1

NPC / H五电平逆变器低开关频率有限控制集模型预测控制研究

批准号:51707086
批准年份:2017
负责人:王贵峰
学科分类:E0706
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
2

低开关频率三电平感应电机驱动系统最优预测控制研究

批准号:51407007
批准年份:2014
负责人:齐昕
学科分类:E0706
资助金额:27.00
项目类别:青年科学基金项目
3

低采样比下大功率永磁同步发电机多采样多预测低开关频率控制研究

批准号:51707176
批准年份:2017
负责人:郭磊磊
学科分类:E0706
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
4

异步电机无速度传感器模型预测控制关键技术研究

批准号:51207003
批准年份:2012
负责人:张永昌
学科分类:E0706
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目