大功率三电平变频器低开关频率控制关键技术研究

为减小开关损耗，提高变频器输出功率，需降低开关频率；但随之带来输出谐波增加、动态性能下降等问题。针对低开关频率下PWM变换器输出谐波成分丰富的问题，使用控制理论工具分析、对比不同开关频率下，PWM环节在响应特性等方面的变化。考虑到低开关频率下，PWM环节的延时特性更加明显，将重点从数字控制的角度出发，建立考虑谐波特性的PWM环节离散域模型，为控制算法的设计提供理论支持。传统优化PWM算法稳态性能较好，但在动态过程中存在脉冲紊乱、装置过流的问题；拟从数学分析角度出发，研究其稳态时消除与抑制谐波的机理；从控制理论的角度，结合被控对象模型在线调整开关角。实际系统中因PWM调制死区、系统非线性等因素，不可避免含有低次谐波；拟使用现代控制理论设计基波电流观测器，使用内模原理设计抗低次谐波扰动的基波电流控制器，并对比此二种手段。围绕高性能调速这一主题，提出低开关频率下变频器分析与设计的核心控制算法。

本项目以大功率三电平变频器带电励磁同步电机负载为研究对象，进行了其低开关频率下的系统建模、变频器PWM调制策略、电机控制系统等研究。充分考虑低开关频率影响，建立了基于复矢量信号流图的三电平变换器模型；针对电励磁同步电机模型复杂性问题，首次提出了复矢量与矩阵相结合的复矩阵建模方式，简化电机模型的同时便于控制系统设计。针对低开关频率造成的电机定子侧电流畸变、低次谐波严重，定子电流磁化分量与转矩分量耦合严重问题，首先从经典控制理论入手、结合电机复矩阵模型，设计了基于混合坐标系的定子电流基波观测器，能在较低开关频率下实现基波电流有效跟踪；接着首次提出了电励磁同步电机电流内环的复矢量调节器控制理论，实现低开关频率下磁化分量与转矩分量间的解耦，并对以上观测器、调节器进行稳定性、有效性验证。研究了低开关频率下的优化PWM消除、抑制低次谐波的机理；针对此类算法动态性能不高的缺陷，首次将模型预测控制与同步对称优化PWM相结合的脉宽调制技术移植至电励磁同步电机高性能动态调速中，以定子磁链为跟踪目标，将磁链轨迹跟踪误差转化至滚动时域内的伏-秒值，从而实现对开关角的动态调整，解决优化PWM只能离线计算、动态调用时可能存在的开关角紊乱、装置过流等问题。针对低开关频率分段调制算法中低调制度区域问题，首次明确了分段调制分界点，并解决了其低开关频率下的中点电位平衡问题。通过理论推导、仿真实验分析，为解决大功率三电平变频器低开关频率技术、推动此项技术迈向实际应用提供了重要理论和关键技术。