NPC三电平变频器模型预测控制研究

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当前我国工业、交通运输业的迅速发展以及节能减排的迫在眉睫,对中高压大功率变频器的需求越来越多,因而研究变频器先进的控制方法是十分必要的。近年来,有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)在电力电子领域的应用日益广泛,但是仍然存在计算量过大、开关频率高以及控制性能对模型的准确性过于依赖等问题。基于这种背景下,对NPC三电平变频器FCS-MPC策略及其改进策略进行了研究。建立了NPC三电平变频器的数学模型,在此基础上阐述了FCS-MPC的工作原理。针对传统FCS-MPC存在计算量大、du/dt高以及模型参数不匹配时存在电流静差等问题,提出了一种改进的FCS-MPC策略:通过添加开关跳变等约束条件,计算量减至传统FCS-MPC的1/3,同时降低了du/dt;以电压预测代替电流预测,进一步降低了计算量;通过在电压预测公式中加入电流反馈补偿,有效降低了电流静差。对NPC三电平变频器的多步有限控制集模型预测控制(Multi-step FCS-MPC)进行了研究。将代价函数重新整理,等效转化为开关序列误差的形式。结合球形译码思想,采用迭代式回溯算法实现了Multi-step FCS-MPC策略。此外,Multi-step FCS-MPC算法实施过程中会遇到两个问题:1、球形译码初始半径偏小会导致搜索不到完整的开关序列,致使电流谐波增大;2、动态过程中计算量会剧增。为了解决问题1,将上一时刻最优开关序列前移一个时刻后作为本时刻最优开关序列。为了解决问题2,在程序中对搜索到的完整开关序列的数目进行限制。仿真表明,上述两点改进措施是有效的。对Multi-step FCS-MPC的性能进行了仿真分析,得出如下结论:1、Multi-step FCS-MP表现出良好的动态性能,同时预测步数的增加不会降低电流的动态响应速度;2、Multi-step FCS-MPC预测步数越大静态性能越优,尤其是对于大电感负载,预测步数的提高能够显著降低低开关频率时的电流谐波。对基于NPC三电平变频器的永磁同步电机MPC策略进行了研究。建立了PMSM数学模型,在此基础上分别设计了转速无差拍预测控制器和电流FCS-MPC控制器。最后对PMSM模型预测控系统进行了仿真分析,仿真结果表明:PMSM模型预控制系统能够实现dq轴电流解耦控制,动静态性能良好,抗干扰能力强,并且在低转速条件下仍然表现出良好的控制性能。
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