間接矩陣變換器-異步電機調速系統的零電流換流模型預測控制方法

王閃閃

摘? 要：針對間接矩陣變換器（Indirect matrix converter，IMC）-異步電機（Induction machine，IM）調速系統換流復雜的問題，提出一種零電流換流-模型預測控制（Zero current control-model predictive control，ZCC-MPC）方法。在逆變級，控制周期內采用開關狀態組合代替單一的預測開關狀態，以保證整流級總是在逆變級為零電壓矢量時發生換流。仿真結果表明系統具有良好的動靜態性能，并且整流側開關動作時，中間直流電流總為0，整流級換流得以簡化。

關鍵詞：零電流換流;模型預測控制;間接矩陣變換器

中圖分類號：TM46? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）30-0141-03

Abstract： In order to solve the problem of complex commutation in indirect matrix converter （IMC） -induction machine， （IM） speed control system， a zero current control-model predictive control （ZZCC-MPC） method is proposed. In the inverting stage， the combination of switching states is used instead of a single predictive switching state in the control cycle to ensure that the rectifier stage is always commutated when the inverter stage is a zero voltage vector. The simulation results show that the system has good dynamic and static performance， and when the rectifier side switch operates， the intermediate DC current is always 0， and the rectifier stage commutation is simplified.

Keywords： zero current control; model predictive control; indirect matrix converter

引言

IMC-IM調速系統傳統采用IM矢量控制與IMC空間電壓矢量脈沖寬度調制相結合的方法[1]，整流級雙向開關換流技術是其關鍵技術之一。文獻[2]采用四步換流方法，保證當整流級某開關單元的全控開關器件關斷時，其原先流過感性負載的電流將通過該橋臂中另外一個開關單元中的快速恢復二極管形成續流通路，從而避免了感性負載電流斷路。為了提高波形質量和電壓利用率，在四步換流法的基礎上提出一種減少換流步驟、縮短換流過程時間的方法[3]，只保留中間兩步，但前提是必須獲得極為準確的輸出電流方向信息，以避免出現換流故障。對此，提出零電流換流方法，并且傳統調制方法下控制結構復雜，控制參數多不易調節，故本文擬引入MPC思想[4]，綜合提出ZCC-MPC方法。此方法通過建立變量預測和優化模型，實現了多變量多約束條件的優化，結構簡單，參數易于調節。并且逆變級采用預測電壓矢量和零矢量的固定占空比的開關狀態組合，使得整流級雙向開關零電流換流時間充分，換流安全可靠。

1 IMC-IM系統拓撲

IMC-IM系統如圖1所示，主要包括三相正弦交流電源、IMC及IM負載三個部分。其中間接矩陣變換器包含輸入LC濾波器，虛擬整流級，虛擬逆變級，以及中間箝位保護電路。虛擬整流級電路由六個雙向開關：Sr1，Sr2，Sr3，Sr4，Sr5，Sr6組成，可實現能量的雙向流動。由電感和電容構成的LC濾波器能夠吸收輸入電流中由開關動作引起的高頻諧波。

2 ZCC-MPC方法

本文借鑒了MPC思想[4]，引入MPC方法[5]，實現電機良好動靜態性能、網側單位功率因數。其控制框圖如圖2，包括（a）定轉子磁鏈觀測、（b）轉矩和磁鏈預測模型、（c）品質函數優化三部分。

為保證整流級雙向開關換流安全性，傳統的常采用四步換流方法[2]，步驟繁雜，換流時間較長，并且對電壓電流檢測信號精確度要求較高。由此本文提出ZCC方法，如控制框圖中（d）所示，IMC完成開關狀態尋優后，在逆變級單周期兩端分配固定占空比的零矢量So0，實現整流級零電流換流。

故ZCC-MPC控制算法按以下四步進行：

（1）電機定轉子磁鏈觀測

根據異步電機的定轉子電壓方程，對定轉子磁鏈進行觀測，并利用歐拉公式進行離散化公式如下：

（1）

Rs、Rr、Ls、Lr、Lm為定、轉子電阻、電感和互感。

（2）預測模型

定子磁鏈的預測也遵循定子電壓方程，預測式如下：

（2）

根據電機電磁轉矩與定子電流的關系[5]，可得要對電磁轉矩的預測，首先需要實現定子電流的預測，根據定子動態方程得定子電流的預測如下：

上式中各參數含義如文獻[7]。

根據式（1）（3），電磁轉矩的預測公式為：

最后，由輸入濾波器模型得電流is的預測公式：

（5）

上式各參數如文獻[5]。其中

考慮到網側電壓vs（k+1）≈vs（k），輸入側瞬時無功功率的預測式為：

（7）

（3）品質函數優化

建立品質函數（8）并優化，即選擇使函數最小的開關狀態為下一時刻最優開關狀態：

其中，λ1、λ2、λ3為變量的權重系數。

（4）零電流換流（ZCC）

零電流換流如圖3，在逆變級開關周期兩端分配固定占空比零矢量（000），作用時間要大于開關開通或關斷時間，本文以英飛凌BSM50GB120DN2功率模塊為例，設置單段零矢量U0作用時間為To=4？滋s，即開關組合中單段零矢量占空比為To/Ts。

3 仿真分析

利用MATLAB/similunk軟件進行仿真。參數如下：Vsm=300v，fn=50Hz;采樣頻率fs=20kHz;濾波器Rf=0.5Ω，Lf=5mH，Cf=20μF;λ1=600，λ2=30000，λ3=3;電機電磁轉矩基準值Te*=14N.m，定子磁鏈基準值ψs*=0.96Wb。IM在t=1.2s時轉速由800r/min變為300r/min，在t=1.5s時，負載轉矩由3N.m變為5N.m;

從圖4（a）看出IM可保持給定轉速，且定子電流正弦性較好;圖4（b）中當負載轉矩和轉速發生突變時，響應快超調小，電機動靜態性能良好，可實現正常調速運行。從圖5（a）看出輸入側網測電壓和電流基本達到同相位，且網測電流正弦性良好。如圖5（b），當IMC逆變級在t=0.1064s前后成功插入零矢量，此時直流側電流idc為0，整流級發生開關動作切換，由（100100）切換至（100001），零電流換流實現。

4 結論

本文提出的新型ZCC-MPC方法可實現：（1）輸出側IM動靜態性能良好，實現高性能調速。（2）網側電壓、電流基本同相位，無功功率約為零。（3）IMC整流級實現安全的零電流換流，大大簡化了傳統的四步換流策略，為實驗的成功打下基礎。

參考文獻：

[1]Varsha pahee，Ashish Kumar Sahoo. SVPWM technique with varying dc-link voltage reduction in an indirect matrix converter， in IEEE ECCE， pp.875-881，2015.

[2]Burany N. Safe control of four-quadrant switches[C]. Proceedings IEEE IAS'89. 1989：1190-1194.

[3]Wheeler P.W.， Clare J.C.， Empringham L.. A vector controlled MCT matrix converter induction motor drive with minimized commutation times and enhanced waveform quality [C]. Proceedings IEEE IAS'02， 1：466-472.

[4]C.Bordons， C.Montero. "Basic Principles of MPC for Power Converters： Bridging the Gap Between Theory and Practice." IEEE Industrial Electronics Magazine， 2015，9（3）：31-43.

[5]J.Rodriguez，J.Kolar，J.Espinoza，M.Rivera，et al. Predictive torque and flux control of an induction machine fed by an indirect matrix converter， in IEEE International Conference on Industrial Technology，1857-1863，2010.