一种五桥臂的可控整流变频调速系统的模型预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于中大功率的变频调速技术领域，更具体地，涉及一种五桥臂的可控整 流变频调速系统的模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 整流可控的变频调速系统由于其高效节能的特点在风力发电等中大功率场合得 到了广泛的应用，其功率变换器主要为图1所示的三相六桥臂结构，包含整流环节（即AC/ DC变换器）和逆变环节（即DC/AC变换器），整流环节连接电网和直流侧，实现将三相电网 电能转化为稳定的直流电供逆变侧使用；逆变环节连接直流侧和交流电机，实现将直流电 转化为频率幅值可控的交流电进行电机调速。通过控制功率管的开通与关断可以实现该系 统的高性能控制。可以看到，该拓扑结构总共有12个功率开关管，由于长时间高负荷的持 续运转以及随着时间变化的内外部条件等因素的影响，功率开关器件相对"脆弱"，一旦变 换器某只功率管发生开路故障，整个系统便丧失了正常工作的能力，轻则造成巨额经济损 失，重则发生灾难性后果。
[0003] 随着对中大功率变频调速系统安全性、可靠性的要求越来越高，实时故障诊断和 容错控制方法受到高度重视。然而现有大部分变频调速系统不配备冗余的开关器件，因此 一种无冗余开关的五桥臂容错拓扑结构受到了广泛关注，五桥臂容错拓扑是将故障桥臂对 应相接到另一子系统的正常桥臂，构成整流和逆变环节桥臂共享的容错方案。在众多针对 五桥臂整流可控的变频调速系统控制策略的专利和文献中，其大致方法分为主要是依靠脉 宽调制方法进行线性化处理，通过线性控制理论进行设计。然而，五桥臂拓扑结构由于其输 入和输出存在耦合，线性控制方法难以实现良好的性能控制。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种五桥臂的可控整流变频调 速系统的模型预测控制方法，能在桥臂共享的情况下，实现整流子系统和逆变子系统的独 立控制。本发明适用于五桥臂驱动的各种整流可控的变频调速系统。为了不失一般性，本 发明只考虑整流或逆变子系统第三相损坏的情况。
[0005] 本发明提供一种五桥臂的可控整流变频调速系统的模型预测控制方法，包括以下 步骤：
[0006] 步骤1分别测出三相电网电压&(幻、三相电网电流以々）、三相电机电流以幻、母 线电压ud和电机转速〇 ;
[0007] 步骤2在整流侧计算有功功率的给定值P*，在逆变侧计算转矩的给定值
[0008] 步骤3通过所述母线电压ud计算各开关状态下的电压矢量当前时刻的值；
[0009] 步骤4通过所述电机转速《和所述三相电机电流《(々)估算转子磁链A，然后计 算定子磁链仏，其计算公式如下：
[0012] 其中，Lyi为电机转子时间常数；L是电机的转子电阻；LpLpLj别为电 机定转子互感、转子电感和定子电感；〇 =l_Lm2/LsI^是电机漏感系数；
[0013] 步骤5在逆变侧，预测下一采样时刻所有电压矢量对应定子磁链|R0 + ：I)|和电磁 转矩Tjk+1)，在整流侧，预测下一采样时刻有功功率P(k+1)和无功功率Q(k+1);
[0014] 步骤6设计整流侧目标函数：
[0015] Jg=ipLpQc+lhl+lQLQGc+l)」，iG{1，2,3,4 ;5,6,7,8}
[0016] 设计逆变侧目标函数：
[0017]
[0018] 取使得目标函数最小化的电压矢量为最优的电压矢量，施加该电压矢量对应的开 关组合到每个桥臂。
[0019] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效 果：
[0020] (1)在不增加冗余桥臂的情况下，在某个功率开关管故障的情况下，可以实现变频 调速系统的尚性能运tx;
[0021] (2)在桥臂共享的情况下，在整流侧实现有功功率、无功功率以及母线电压的闭环 控制；在逆变侧能够实现磁链、转矩以及速度的闭环控制，实现了整流子系统和逆变子系统 的独立控制；
[0022] (3)采用本发明所使用的最优目标函数确定方法，可以大大减少模型预测控制的 预测和迭代次数，降低计算复杂度，使之能够在实际工程中实现。
【附图说明】
[0023] 图1为现有技术的三相-三相整流可控变频调速系统功率变换器结构示意图；
[0024] 图2为本发明故障重构的五桥臂三相-三相整流可控变频调速系统功率变换器的 示意图；
[0025] 图3为本发明的控制模块与控制对象示意图；
[0026] 图4为本发明最优开关组合获取的流程图。
【具体实施方式】
[0027] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0028] 本发明实施例的研究对象为功率变换器为12个IGBT整流可控的变频调速系统， 并提出一种当某一功率管故障后的容错控制方法。
[0029] 图2所示为本发明在功率管故障后，通过硬件重构后的五桥臂三相-三相整流可 控变频调速系统容错功率变换器的示意图。为不失一般性，这里只假定逆变环节桥臂1 3功 率管发生故障，这时闭合开关s3，将整流桥臂g3连接到逆变环节故障桥臂对应相13，其重构 后五桥臂容错拓扑结构通过整流环节和逆变环节桥臂共享，并采用模型预测控制算法作为 控制器实现容错控制。
[0030] 图3所示为本发明的控制器结构框图与控制对象示意图，为了实现高性能的闭环 控制策略，在整流环节中，采用传统的比例积分控制器（PI控制器）获取有功功率的给定 值，电压内环控制采用模型预测控制；在逆变环节中，速度外环控制采用传统的PI控制器 获得转矩的给定值，电流内环控制采用模型预测控制器。本发明包含磁链估计，有功功率、 无功功率、转矩、磁链预测，目标函数最优化三个阶段。
[0031] 第一阶段，估计当前的感应电动机定子和转子磁链。本方法采用电压磁链模型或 电流磁链模型估算当前的转子和定子磁链。
[0032] 第二阶段，利用电压传感器，测量直流母线电容的实时电压，计算当前电压矢量的 精确值，如表1所示，ud表示母线电压。在本发明实施例中，开关状态0表示该桥臂上管关 闭，下管导通；开关状态1表示该桥臂上管导通，下管关闭。例如，开关状态〇〇〇表示三个 桥臂均为上管关闭，下管导通。整流环节根据数学模型对八个电压矢量对应的有功功率、 无功功率进行预测；逆变环节根据数学模型对八个电压矢量对应的转矩和定子磁链进行预 测。在共享桥臂的开关状态确定时，整流侧和逆变侧可施加的电压矢量只有四个，如下表2 所示。
[0033]
[0036]表2
[0037] 第三阶段，根据系统的给定值与预测量构建目标函数，根据目标函数选择最优的 开关组合。
[0038] 结合图3,本发明具体包括以下步骤：
[0039] 步骤1通过感应电机驱动系统中已有的电流传感器、电压传感器和速度传感器分 别测出三相电网电压&伏）、三相电网电流(幻、三相电机电流以幻、母线电压叫和电机转 速W0
[0040] 步骤2在逆变环节，速度控制环采用PI控制器，该控制器输出作为转矩的给定值 7；,在整流环节，电压控制环采用PI控制器，该控制器输出作为有功功率的给定值P'
[0041] 步骤3通过测量的母线电压ud计算表1中所示的八个电压矢量当前时刻的值。
[0042]步骤4通过测量的电机转速《和三相电机电流1(的估算转子磁链化，然后计算定 子磁链A，其计算公式如下：
[0045] 其中，为电机转子时间常数；L是电机的转子电阻；1^丄山分别为电 机定转子互感、转子电感和定子电感；〇 =l_Lm2/LsI^是电机漏感系数。
[0046] 步骤5在逆变环节，通过电机模型和逆变器模型预测下一采样时刻所有电压矢量 对应定