一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法，属于永磁同步电机技术领域，以解决有限集不精确与逆变器中点电位平衡的问题。方法包括中点电位调整、预测k+1时刻有限集中所有空间矢量对应的d、q轴电流、获取最优电压矢量、上述步骤中使用到的矢量是利用虚拟矢量合成方法设计出的一种新的空间矢量图。本发明专利技术采用有限集模型预测控制(FCS

【技术实现步骤摘要】
一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法


[0001]本专利技术属于永磁同步电机
，具体涉及一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]永磁同步电动机(PermanentMagnetSynchronousMotorPMSM)由于转速快，造成定子中流过的电流频率亦高于常速电机，从而驱动电机的传统两电平逆变器中电流谐波含量亦高于常速电机，对PMSM系统的转矩平稳性及运行效率产生很大影响，于是多电平逆变器出现并克服了传统两电平逆变器的缺点。
[0003]在多电平逆变器中，二极管中点钳位式三电平逆变器(NPC)也因为存在开关管存在损耗不平衡的问题而有逐渐被三电平有源中点钳位式逆变器(ANPC)取代的趋势。ANPC三电平逆变器与NPC三电平逆变器拓扑相似，如附图1所示，每相桥臂均由6个全控的功率器件Sa1
‑
Sa6和两个直流母线电容C1、C2组成。因其采用开关器件代替了钳位二极管，使零状态实现路径增加到四种，因此可以通过调整零状态灵活的控制逆变器开关器件的损耗分布，提高逆变器的容量和转换效率。其中Udc是直流母线电压，Da1
‑
Da6为功率器件对应二极管。保留了NPC逆变器的优点，更利于对高速PMSM进行精确控制。
[0004]随着多电平逆变器的电压等级越来越高，经典的控制算法很难再进行很好的控制，而模型预测控制避免了上述问题，因此在ANPC三电平逆变器中得到了广泛应用。目前，在永磁同步电机的ANPC逆变器有限集模型预测控制的相关研究中，主要的技术成果及存在的问题如下：
[0005](1)对永磁同步电机的控制不精确。传统ANPC逆变器模型预测控制的有限集中为原本的27个空间矢量，其中小矢量以及中矢量都对中点电位平衡有影响，且滚动优化后通过价值函数选出的最优矢量仅为有限集中空间矢量的最优，有限的空间矢量与不精确限制了逆变器输出的精确性。
[0006](2)模型预测控制的有限集内可选择的矢量数量少且不够精确。可以通过增加空间矢量的数量来实现对逆变器输出更精准的控制，通过合成对中点电位平衡没有影响的虚拟矢量来减小对中点电位的影响。
[0007](3)模型预测控制的有限集内中矢量与小矢量影响逆变器中点电位平衡。在现有的许多对于ANPC逆变器模型预测控制的改进当中，大多数通过算法减少每次运算时有限控制集中的矢量个数，从而减少滚动优化的次数来提高计算速度与效率。此类方法虽然通过降低运算次数提高了速度与效率，但降低了价值函数评估选出最优矢量的精确度，仍然没有解决中矢量与小矢量对中点电位平衡的影响；
[0008](4)缺少在合成虚拟空间矢量后对中点电位波动问题的解决方法。部分使用虚拟空间矢量的方法中，大多为通过虚拟矢量的合成来减少有限控制集中的矢量个数，但合成的所有虚拟矢量都消除了对中点电位平衡的影响，无法对实际控制中因外界干扰或突发状况造成的中点电位波动问题进行有效控制。
[0009]基于以上
技术介绍
中的问题，研发人员提出了一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的在于提供一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法，以解决有限集不精确与逆变器中点电位平衡的问题。
[0011]为了解决以上问题，本专利技术技术方案为：
[0012]一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法，该方法为以下步骤：
[0013]S1、中点电位调整；
[0014]首先采样获得k时刻逆变器中点电流i
o
(k)，对比中点电位i
o
(k)与小矢量对中点电位的影响i
s
，若则选择有限集
①
：原有小矢量与零矢量共15个矢量，用小矢量对中点电位进行调整；
[0015]反之则不对中点电位进行调整，选择有限集
②
：虚拟矢量与零矢量共27个矢量，用虚拟矢量与零矢量对逆变器输出进行控制；
[0016]S2、预测k+1时刻有限集中所有空间矢量对应的d、q轴电流；
[0017]采样获得三相电流i
a
(k)、i
b
(k)、i
c
(k)，并对其进行坐标转换得到d、q轴电流i
d
(k)、i
q
(k)；
[0018]通过预测模型得到k+1时刻有限集中所有空间矢量对应的d、q轴电流i
d
(k+1)、i
a
(k+1)；
[0019]S3、获取最优电压矢量；
[0020]将预测得到所有空间矢量对应d、q轴电流i
d
(k+1)、i
q
(k+1)分别与k+1时刻d、q轴电流的参考值i
d*
(k+1)、i
q*
(k+1)带入价值函数g中，从所有计算结果中选出最小值g
min
，此最小值对应的电压矢量就是下一刻需要的最优电压矢量；
[0021]将此状态输出到逆变器的开关器件完成对k+1时刻的预测控制；
[0022]S4、上述步骤中使用到的矢量是利用虚拟矢量合成方法设计出的一种新的空间矢量图；
[0023]该空间矢量图构成包括：
[0024]零矢量(ppp、ooo、nnn)；
[0025]小矢量(ppo、oon、poo、onn、pop、ono、oop、nno、oop、noo、opo、non)；
[0026]虚拟小矢量(V
S1
、V
S2
、V
S3
、V
S4
、V
S5
、V
S6
、V
M1
、V
M2
、V
M3
、V
M4
、V
M5
、V
M6
)；
[0027]虚拟大矢量(V
L1
、V
L2
、V
L3
、V
L4
、V
L5
、V
L6
、V
X1
、V
X2
、V
X3
、V
X4
、V
X5
、V
X6
)。
[0028]进一步的，步骤S4中虚拟小矢量合成方案为：
[0029]S4.1、虚拟小矢量；
[0030]为使空间小矢量图更接近矢量圆，因此虚拟小矢量由两组形式合成；
[0031]其中一组由正负小矢量合成；另一组由中矢量与正负小矢量合成；
[0032]第一组合成方案如下所示：
[0033]三电平ANPC逆变器小矢量共有12个(ppo、oon、poo、onn、pop、ono、oop、nno、oop、noo、opo、non)，以6个正负小矢量对的形式本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法，其特征在于：该方法为以下步骤：S1、中点电位调整；首先采样获得k时刻逆变器中点电流i
o
(k)，对比中点电位i
o
(k)与小矢量对中点电位的影响i
s
，若则选择有限集
①
：原有小矢量与零矢量共15个矢量，用小矢量对中点电位进行调整；反之则不对中点电位进行调整，选择有限集
②
：虚拟矢量与零矢量共27个矢量，用虚拟矢量与零矢量对逆变器输出进行控制；S2、预测k+1时刻有限集中所有空间矢量对应的d、q轴电流；采样获得三相电流i
a
(k)、i
b
(k)、i
c
(k)，并对其进行坐标转换得到d、q轴电流i
d
(k)、i
q
(k)；通过预测模型得到k+1时刻有限集中所有空间矢量对应的d、q轴电流i
d
(k+1)、i
q
(k+1)；S3、获取最优电压矢量；将预测得到所有空间矢量对应d、q轴电流i
d
(k+1)、i
q
(k+1)分别与k+1时刻d、q轴电流的参考值i
d*
(k+1)、i
q*
(k+1)带入价值函数g中，从所有计算结果中选出最小值g
min
，此最小值对应的电压矢量就是下一刻需要的最优电压矢量；将此状态输出到逆变器的开关器件完成对k+1时刻的预测控制；S4、上述步骤中使用到的矢量是利用虚拟矢量合成方法设计出的一种新的空间矢量图；该空间矢量图构成包括：零矢量(PPP、ooo、nnn)；小矢量(ppo、oon、poo、onn、pop、ono、oop、nno、oop、noo、opo、non)；虚拟小矢量(V
S1
、V
S2
、V
S3
、V
S4
、V
S5
、V
S6
、V
M1
、V
M2
、V
M3
、V
M4
、V
M5
、V
M6
)；虚拟大矢量(V
L1
、V
L2
、V
L3
、V
L4
、V
L5
、V
L6
、V
X1
、V
X2
、V
X3
、V
X4
、V
X5
、V
X6
)。2.如权利要求1所述的一种基于合成虚拟矢量的ANPC逆变器模型预测控制方法，其特征在于：步骤S4中虚拟小矢量合成方案为：S4.1、虚拟小矢量；为使空间小矢量图更接近矢量圆，因此虚拟小矢量由两组形式合成；其中一组由正负小矢量合成；另一组由中矢量与正负小矢量合成；第一组合成方案如下所示：三电平ANPC逆变器小矢量共有12个(ppo、oon、poo、onn、pop、ono、oop、nno、oop、noo、opo、non)，以6个正负小矢量对的形式出现，单个小矢量对中点电位平衡有影响，但每对小矢量对中点电位平衡影响相反可以相互抵消，利用此特性将6对正负小矢量合成为虚拟小矢量，由小矢量合成的虚拟小矢量由V
M1
代表，表达式为：两个小矢量V
POO
与V
ONN
对中点电位影响的电流分别为
‑
i
a
和i
a
，两个矢量作用时间相同时对中点电位平衡没有影响，对应中点电位电流i
M1
表达式为：
同理，其他五个虚拟小矢量由V
M2
‑
V
M6
代表，表达式如下：代表，表达式如下：代表，表达式如下：代表，表达式如下：代表，表达式如下：第二组合成方案如下所示：三电平ANPC逆变器中矢量共有6个(V
PON
、V
OPN
、V
PNO
、V
NOP
、V
ONP
、V
NPO
)，每个中矢量都对逆变器中点电位有影响，采样频率很高的情况下在采样周期内加入与该中矢量相邻的正小矢量，此时三个矢量对中点电位的影响相互抵消，最后为实现正十二边形空间矢量图添加相应系数，由中矢量结合小矢量生成的虚拟小矢量由V
S1
代表，其表达式为：其中中矢量V
PON
产生对中点电位影响的电流为i
b
，两个小矢量V
PPO
与V
ONN
产生对中点电位影响的电流分别...

【专利技术属性】
技术研发人员：董海鹰，汪波，万劭琦，关文卿，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：