一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，该方法包括根据列车信息控制系统，获取永磁牵引电机的控制目标，确定混合多电平逆变器的运行模式，采用多目标优化的模型预测控制策略，分别建立离散化模型和预测模型，预测控制变量在预定时间段内变化情况，通过最小化代价函数确定最优开关状态，驱动相应的功率开关管导通和关断。本发明专利技术控制混合多电平逆变器不同功率单元的开关器件分别工作于低频和高频开关模式，降低逆变器的开关损耗并同时实现开关频率、飞跨电容电压平衡和输出电流谐波的综合优化，从而满足高铁永磁牵引系统全速域、各种运行工况下的控制要求。

A control method of permanent magnet traction motor based on Hybrid Multilevel Inverter

【技术实现步骤摘要】
一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法
本专利技术属于永磁牵引电机控制
，具体涉及一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法。
技术介绍
牵引系统是高速列车的“心脏”，其性能决定着列车的启动、制动及最高速度。绿色高效是轨道交通牵引系统发展的永恒目标，相比于异步电机牵引系统，永磁同步电机牵引系统由于损耗低、效率高、启动特性好、加速性能强及噪声低等显著优势，成为下一代牵引系统的发展方向，正成为全球轨道交通车辆技术创新的焦点。永磁牵引系统主要由牵引变压器、牵引变流器(整流器、逆变器和中间直流回路)、永磁同步电机和牵引传动控制系统组成。牵引逆变器作为直接驱动永磁同步电机运转的装置，是牵引系统的核心构成部分，高功率密度、高效率、高性能及高可靠性始终是其技术发展和革新的核心要求。受制于牵引逆变器中功率器件的开关损耗以及散热能力，开关频率通常被限制在1kHz以内，此时牵引逆变器的输出电压和电流波形含有较多的谐波，使得电机产生附加损耗和温升，同时也会造成电机的输出转矩脉动，影响电机的稳定控制，甚至危及牵引系统的正常运行，进而影响行车安全。因此，低开关频率下牵引系统控制性能的提升是进一步提高列车运行性能的关键技术之一。目前，在国内外牵引传动应用领域，两电平逆变器拓扑依然占据了很大比例，如庞巴迪公司的ReginaC2008型，西门子公司的ICE3型，国产的CRH1A动车组。为了提高牵引系统在低开关频率下的输出性能，一些动车组采用三电平逆变器，典型代表为我国引进的CRH2型动车组。相比于两电平逆变器，三电平逆变器避免了功率器件的直接串联和并联，在承受高压的同时降低了功率器件的电压应力，提高了牵引系统输出电能质量和电磁兼容性能。上世纪九十年代，D.M.Manjrekar和T.A.Lipo等人提出了混合多电平的概念。与传统的多电平拓扑相比，混合多电平逆变器使用更少的功率器件，输出电压电平数与冗余资源更多，在结构和成本上更具优势，并且具有控制灵活、电磁兼容性好及容错能力强等优点，较适用于中压大功率的能量变换领域，如高铁永磁同步电机牵引系统。对于传统的多电平逆变器拓扑，其基本PWM调制策略已日趋成熟。由于混合多电平变流器的不对称结构，基本多电平调制策略已无法满足其工作要求，需要研究新型的控制策略，以获得良好的输出性能和较小的功率损耗。模型预测控制(Modelpredictivecontrol,MPC)是上世纪70年代提出的一门先进控制技术并应用于工业过程控制领域。从1980年开始，MPC技术被引入到电力电子工业应用中，由于当时缺乏快速处理器，MPC仅适用于低开关频率且动态过程较慢的过程控制领域。进入21世纪，随着高性能数字处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA等的出现，一系列针对电力电子系统特点的MPC算法相继被提出。2007年智利学者J.Rodriguez发表了基于有限控制集MPC(FinitecontrolsetMPC,FCS-MPC)方法的相关研究成果，为其在功率变流器中的应用奠定了基础。MPC是一种基于数学模型的智能控制策略，通过构建代价函数来实现多个控制目标，可以满足更高的控制灵活性，并同时对多个目标参数(如开关频率，开关损耗，功率控制、电机转矩纹波等)实现最优化。
技术实现思路
针对现有技术中高速列车永磁牵引系统逆变器的共性难题，本专利技术提供了一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，以解决现有牵引逆变器开关频率低，传输效率及输出电能质量难以进一步提升等问题。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，包括以下步骤：S1、根据列车信息控制系统，获取永磁牵引电机的控制目标，构建混合多电平逆变器模型并确定其运行模式，分别采集混合多电平逆变器的负载电流、飞跨电容电压和输出电压；S2、分别建立混合多电平逆变器的连续时间模型和离散化模型，并根据步骤S1采集的负载电流、飞跨电容电压和输出电压估计混合多电平逆变器的下一时刻输出电压、飞跨电容电流；S3、建立混合多电平逆变器的预测模型，并根据步骤S2估计的下一时刻输出电压、飞跨电容电流预测下一时刻混合多电平逆变器的负载电流、直流侧中点电位和飞跨电容电压；S4、根据负载电流与参考电流之间误差、直流侧中点电位、飞跨电容电压及开关频率构建代价函数，并通过滚动优化方式对代价函数进行优化求解，得到混合多电平逆变器的最优开关状态；S5、根据混合多电平逆变器的最优开关状态驱动相应的功率开关管导通和关断。进一步地，所述步骤S1中构建的混合多电平逆变器模型具体包括高压低频单元和低压高频单元；所述高压低频单元包括依次串联的功率开关器件T1、与T1互补的开关器件T′1、功率开关器件T2、与T2互补的开关器件T′2，所述功率开关器件T1的集电极与电源正极连接，所述开关器件T′2的发射极与电源负极连接，电源正极电源负极之间并联有相连的电容Cd1和电容Cd2，所述电容Cd1和电容Cd2的连接端与开关器件T′1的发射极及功率开关器件T2的集电极连接；所述低压高频单元包括功率开关器件T3、与T3互补的开关器件T′3、功率开关器件T11、与T11互补的开关器件T′11、功率开关器件T12、与T12互补的开关器件T′12，所述功率开关器件T3的漏极与开关器件T1的发射极及开关器件T′1的集电极连接，所述功率开关器件T3的源极分别与功率开关器件T11的漏极及电容Cf1连接，所述开关器件T′3的漏极与开关器件T2的发射极及开关器件T′2的集电极连接，所述开关器件T′3的源极分别与开关器件T′12的漏极及电容Cf2连接，所述电容Cf1和电容Cf1的另一端均与功率开关器件T12的漏极连接，所述功率开关器件T12的源极与开关器件T′11的漏极连接，所述功率开关器件T11、开关器件T′11、开关器件T′12的源极均与逆变器输出端连接。进一步地，所述混合多电平逆变器模型的高压低频单元中功率开关器件T1、与T1互补的开关器件T′1、功率开关器件T2、与T2互补的开关器件T′2均采用绝缘栅双极性晶闸管，且工作在基频模式；所述混合多电平逆变器模型的低压高频单元中功率开关器件T3、与T3互补的开关器件T′3、功率开关器件T11、与T11互补的开关器件T′11、功率开关器件T12、与T12互补的开关器件T′12均采用场效应晶体管，且工作在高频开关模式。进一步地，所述步骤S2中建立的混合多电平逆变器的连续时间模型表示为：其中，vxo(t)和ix(t)分别为逆变器x相的瞬时相电压和负载电流，vfx1(t)和vfx2(t)分别为飞跨电容两端的瞬时电压，S1,S3,S11和S12分别为功率开关管的开关函数，Vdc为直流侧母线电压，L为输出滤波电感，Cfx1和Cfx2为逆变器x相的飞跨电容值，R为负载电阻。进一步地，所述步骤S2中建立的混合多电平逆变器的离散化模型表示为：其中，为k+1时刻的三相参考负载电流。进一步地，所述步骤S3中建立的混合多电平逆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据列车信息控制系统，获取永磁牵引电机的控制目标，构建混合多电平逆变器模型并确定其运行模式，分别采集混合多电平逆变器的负载电流、飞跨电容电压和输出电压；/nS2、分别建立混合多电平逆变器的连续时间模型和离散化模型，并根据步骤S1采集的负载电流、飞跨电容电压和输出电压估计混合多电平逆变器的下一时刻输出电压、飞跨电容电流；/nS3、建立混合多电平逆变器的预测模型，并根据步骤S2估计的下一时刻输出电压、飞跨电容电流预测下一时刻混合多电平逆变器的负载电流、直流侧中点电位和飞跨电容电压；/nS4、根据负载电流与参考电流之间误差、直流侧中点电位、飞跨电容电压及开关频率构建代价函数，并通过滚动优化方式对代价函数进行优化求解，得到混合多电平逆变器的最优开关状态；/nS5、根据混合多电平逆变器的最优开关状态驱动相应的功率开关管导通和关断。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据列车信息控制系统，获取永磁牵引电机的控制目标，构建混合多电平逆变器模型并确定其运行模式，分别采集混合多电平逆变器的负载电流、飞跨电容电压和输出电压；
S2、分别建立混合多电平逆变器的连续时间模型和离散化模型，并根据步骤S1采集的负载电流、飞跨电容电压和输出电压估计混合多电平逆变器的下一时刻输出电压、飞跨电容电流；
S3、建立混合多电平逆变器的预测模型，并根据步骤S2估计的下一时刻输出电压、飞跨电容电流预测下一时刻混合多电平逆变器的负载电流、直流侧中点电位和飞跨电容电压；
S4、根据负载电流与参考电流之间误差、直流侧中点电位、飞跨电容电压及开关频率构建代价函数，并通过滚动优化方式对代价函数进行优化求解，得到混合多电平逆变器的最优开关状态；
S5、根据混合多电平逆变器的最优开关状态驱动相应的功率开关管导通和关断。


2.如权利要求1所述的基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，其特征在于，所述步骤S1中构建的混合多电平逆变器模型具体包括高压低频单元和低压高频单元；
所述高压低频单元包括依次串联的功率开关器件T1、与T1互补的开关器件T1′、功率开关器件T2、与T2互补的开关器件T2′，所述功率开关器件T1的集电极与电源正极连接，所述开关器件T2′的发射极与电源负极连接，电源正极电源负极之间并联有相连的电容Cd1和电容Cd2，所述电容Cd1和电容Cd2的连接端与开关器件T1′的发射极及功率开关器件T2的集电极连接；
所述低压高频单元包括功率开关器件T3、与T3互补的开关器件T3′、功率开关器件T11、与T11互补的开关器件T11′、功率开关器件T12、与T12互补的开关器件T12′，所述功率开关器件T3的漏极与开关器件T1的发射极及开关器件T1′的集电极连接，所述功率开关器件T3的源极分别与功率开关器件T11的漏极及电容Cf1连接，所述开关器件T3′的漏极与开关器件T2的发射极及开关器件T2′的集电极连接，所述开关器件T3′的源极分别与开关器件T12′的漏极及电容Cf2连接，所述电容Cf1和电容Cf1的另一端均与功率开关器件T12的漏极连接，所述功率开关器件T12的源极与开关器件T11′的漏极连接，所述功率开关器件T11、开关器件T11′、开关器件T12′的源极均与逆变器输出端连接。


3.如权利要求2所述的基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，其特征在于，所述混合多电平逆变器模型的高压低频单元中功率开关器件T1、与T1互补的开关器件T1′、功率开关器件T2、与T2互补的开关器件T2′均...

【专利技术属性】
技术研发人员：马光同，徐帅，张晗，孙振耀，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51