一種五橋臂的可控整流變頻調速系統的模型預測控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于中大功率的變頻調速技術領域，更具體地，涉及一種五橋臂的可控整 流變頻調速系統的模型預測控制方法。
【背景技術】
[0002] 整流可控的變頻調速系統由于其高效節(jié)能的特點在風力發(fā)電等中大功率場合得 到了廣泛的應用，其功率變換器主要為圖1所示的三相六橋臂結構，包含整流環(huán)節(jié)（即AC/ DC變換器）和逆變環(huán)節(jié)（即DC/AC變換器），整流環(huán)節(jié)連接電網和直流側，實現將三相電網 電能轉化為穩(wěn)定的直流電供逆變側使用；逆變環(huán)節(jié)連接直流側和交流電機，實現將直流電 轉化為頻率幅值可控的交流電進行電機調速。通過控制功率管的開通與關斷可以實現該系 統的高性能控制。可以看到，該拓撲結構總共有12個功率開關管，由于長時間高負荷的持 續(xù)運轉以及隨著時間變化的內外部條件等因素的影響，功率開關器件相對"脆弱"，一旦變 換器某只功率管發(fā)生開路故障，整個系統便喪失了正常工作的能力，輕則造成巨額經濟損 失，重則發(fā)生災難性后果。
[0003] 隨著對中大功率變頻調速系統安全性、可靠性的要求越來越高，實時故障診斷和 容錯控制方法受到高度重視。然而現有大部分變頻調速系統不配備冗余的開關器件，因此 一種無冗余開關的五橋臂容錯拓撲結構受到了廣泛關注，五橋臂容錯拓撲是將故障橋臂對 應相接到另一子系統的正常橋臂，構成整流和逆變環(huán)節(jié)橋臂共享的容錯方案。在眾多針對 五橋臂整流可控的變頻調速系統控制策略的專利和文獻中，其大致方法分為主要是依靠脈 寬調制方法進行線性化處理，通過線性控制理論進行設計。然而，五橋臂拓撲結構由于其輸 入和輸出存在耦合，線性控制方法難以實現良好的性能控制。

【發(fā)明內容】

[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供一種五橋臂的可控整流變頻調 速系統的模型預測控制方法，能在橋臂共享的情況下，實現整流子系統和逆變子系統的獨 立控制。本發(fā)明適用于五橋臂驅動的各種整流可控的變頻調速系統。為了不失一般性，本 發(fā)明只考慮整流或逆變子系統第三相損壞的情況。
[0005] 本發(fā)明提供一種五橋臂的可控整流變頻調速系統的模型預測控制方法，包括以下 步驟：
[0006] 步驟1分別測出三相電網電壓&(幻、三相電網電流以々）、三相電機電流以幻、母 線電壓ud和電機轉速〇 ;
[0007] 步驟2在整流側計算有功功率的給定值P*，在逆變側計算轉矩的給定值
[0008] 步驟3通過所述母線電壓ud計算各開關狀態(tài)下的電壓矢量當前時刻的值；
[0009] 步驟4通過所述電機轉速《和所述三相電機電流《(々)估算轉子磁鏈A，然后計 算定子磁鏈仏，其計算公式如下：
[0012] 其中，Lyi為電機轉子時間常數；L是電機的轉子電阻；LpLpLj別為電 機定轉子互感、轉子電感和定子電感；〇 =l_Lm2/LsI^是電機漏感系數；
[0013] 步驟5在逆變側，預測下一采樣時刻所有電壓矢量對應定子磁鏈|R0 + ：I)|和電磁 轉矩Tjk+1)，在整流側，預測下一采樣時刻有功功率P(k+1)和無功功率Q(k+1);
[0014] 步驟6設計整流側目標函數：
[0015] Jg=ipLpQc+lhl+lQLQGc+l)」，iG{1，2,3,4 ;5,6,7,8}
[0016] 設計逆變側目標函數：
[0017]
[0018] 取使得目標函數最小化的電壓矢量為最優(yōu)的電壓矢量，施加該電壓矢量對應的開 關組合到每個橋臂。
[0019] 總體而言，通過本發(fā)明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效 果：
[0020] (1)在不增加冗余橋臂的情況下，在某個功率開關管故障的情況下，可以實現變頻 調速系統的尚性能運tx;
[0021] (2)在橋臂共享的情況下，在整流側實現有功功率、無功功率以及母線電壓的閉環(huán) 控制；在逆變側能夠實現磁鏈、轉矩以及速度的閉環(huán)控制，實現了整流子系統和逆變子系統 的獨立控制；
[0022] (3)采用本發(fā)明所使用的最優(yōu)目標函數確定方法，可以大大減少模型預測控制的 預測和迭代次數，降低計算復雜度，使之能夠在實際工程中實現。
【附圖說明】
[0023] 圖1為現有技術的三相-三相整流可控變頻調速系統功率變換器結構示意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明故障重構的五橋臂三相-三相整流可控變頻調速系統功率變換器的 示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的控制模塊與控制對象示意圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明最優(yōu)開關組合獲取的流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0028] 本發(fā)明實施例的研究對象為功率變換器為12個IGBT整流可控的變頻調速系統， 并提出一種當某一功率管故障后的容錯控制方法。
[0029] 圖2所示為本發(fā)明在功率管故障后，通過硬件重構后的五橋臂三相-三相整流可 控變頻調速系統容錯功率變換器的示意圖。為不失一般性，這里只假定逆變環(huán)節(jié)橋臂1 3功 率管發(fā)生故障，這時閉合開關s3，將整流橋臂g3連接到逆變環(huán)節(jié)故障橋臂對應相13，其重構 后五橋臂容錯拓撲結構通過整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)橋臂共享，并采用模型預測控制算法作為 控制器實現容錯控制。
[0030] 圖3所示為本發(fā)明的控制器結構框圖與控制對象示意圖，為了實現高性能的閉環(huán) 控制策略，在整流環(huán)節(jié)中，采用傳統的比例積分控制器（PI控制器）獲取有功功率的給定 值，電壓內環(huán)控制采用模型預測控制；在逆變環(huán)節(jié)中，速度外環(huán)控制采用傳統的PI控制器 獲得轉矩的給定值，電流內環(huán)控制采用模型預測控制器。本發(fā)明包含磁鏈估計，有功功率、 無功功率、轉矩、磁鏈預測，目標函數最優(yōu)化三個階段。
[0031] 第一階段，估計當前的感應電動機定子和轉子磁鏈。本方法采用電壓磁鏈模型或 電流磁鏈模型估算當前的轉子和定子磁鏈。
[0032] 第二階段，利用電壓傳感器，測量直流母線電容的實時電壓，計算當前電壓矢量的 精確值，如表1所示，ud表示母線電壓。在本發(fā)明實施例中，開關狀態(tài)0表示該橋臂上管關 閉，下管導通；開關狀態(tài)1表示該橋臂上管導通，下管關閉。例如，開關狀態(tài)〇〇〇表示三個 橋臂均為上管關閉，下管導通。整流環(huán)節(jié)根據數學模型對八個電壓矢量對應的有功功率、 無功功率進行預測；逆變環(huán)節(jié)根據數學模型對八個電壓矢量對應的轉矩和定子磁鏈進行預 測。在共享橋臂的開關狀態(tài)確定時，整流側和逆變側可施加的電壓矢量只有四個，如下表2 所示。
[0033]
[0036]表2
[0037] 第三階段，根據系統的給定值與預測量構建目標函數，根據目標函數選擇最優(yōu)的 開關組合。
[0038] 結合圖3,本發(fā)明具體包括以下步驟：
[0039] 步驟1通過感應電機驅動系統中已有的電流傳感器、電壓傳感器和速度傳感器分 別測出三相電網電壓&伏）、三相電網電流(幻、三相電機電流以幻、母線電壓叫和電機轉 速W0
[0040] 步驟2在逆變環(huán)節(jié)，速度控制環(huán)采用PI控制器，該控制器輸出作為轉矩的給定值 7；,在整流環(huán)節(jié)，電壓控制環(huán)采用PI控制器，該控制器輸出作為有功功率的給定值P'
[0041] 步驟3通過測量的母線電壓ud計算表1中所示的八個電壓矢量當前時刻的值。
[0042]步驟4通過測量的電機轉速《和三相電機電流1(的估算轉子磁鏈化，然后計算定 子磁鏈A，其計算公式如下：
[0045] 其中，為電機轉子時間常數；L是電機的轉子電阻；1^丄山分別為電 機定轉子互感、轉子電感和定子電感；〇 =l_Lm2/LsI^是電機漏感系數。
[0046] 步驟5在逆變環(huán)節(jié)，通過電機模型和逆變器模型預測下一采樣時刻所有電壓矢量 對應定