间接矩阵变换器-异步电机调速系统的零电流换流模型预测控制方法

王闪闪

摘  要：针对间接矩阵变换器（Indirect matrix converter，IMC）-异步电机（Induction machine，IM）调速系统换流复杂的问题，提出一种零电流换流-模型预测控制（Zero current control-model predictive control，ZCC-MPC）方法。在逆变级，控制周期内采用开关状态组合代替单一的预测开关状态，以保证整流级总是在逆变级为零电压矢量时发生换流。仿真结果表明系统具有良好的动静态性能，并且整流侧开关动作时，中间直流电流总为0，整流级换流得以简化。

关键词：零电流换流;模型预测控制;間接矩阵变换器

中图分类号：TM46         文献标志码：A        文章编号：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调速系统传统采用IM矢量控制与IMC空间电压矢量脉冲宽度调制相结合的方法[1]，整流级双向开关换流技术是其关键技术之一。文献[2]采用四步换流方法，保证当整流级某开关单元的全控开关器件关断时，其原先流过感性负载的电流将通过该桥臂中另外一个开关单元中的快速恢复二极管形成续流通路，从而避免了感性负载电流断路。为了提高波形质量和电压利用率，在四步换流法的基础上提出一种减少换流步骤、缩短换流过程时间的方法[3]，只保留中间两步，但前提是必须获得极为准确的输出电流方向信息，以避免出现换流故障。对此，提出零电流换流方法，并且传统调制方法下控制结构复杂，控制参数多不易调节，故本文拟引入MPC思想[4]，综合提出ZCC-MPC方法。此方法通过建立变量预测和优化模型，实现了多变量多约束条件的优化，结构简单，参数易于调节。并且逆变级采用预测电压矢量和零矢量的固定占空比的开关状态组合，使得整流级双向开关零电流换流时间充分，换流安全可靠。

1 IMC-IM系统拓扑

IMC-IM系统如图1所示，主要包括三相正弦交流电源、IMC及IM负载三个部分。其中间接矩阵变换器包含输入LC滤波器，虚拟整流级，虚拟逆变级，以及中间箝位保护电路。虚拟整流级电路由六个双向开关：Sr1，Sr2，Sr3，Sr4，Sr5，Sr6组成，可实现能量的双向流动。由电感和电容构成的LC滤波器能够吸收输入电流中由开关动作引起的高频谐波。

2 ZCC-MPC方法

本文借鉴了MPC思想[4]，引入MPC方法[5]，实现电机良好动静态性能、网侧单位功率因数。其控制框图如图2，包括（a）定转子磁链观测、（b）转矩和磁链预测模型、（c）品质函数优化三部分。

为保证整流级双向开关换流安全性，传统的常采用四步换流方法[2]，步骤繁杂，换流时间较长，并且对电压电流检测信号精确度要求较高。由此本文提出ZCC方法，如控制框图中（d）所示，IMC完成开关状态寻优后，在逆变级单周期两端分配固定占空比的零矢量So0，实现整流级零电流换流。

故ZCC-MPC控制算法按以下四步进行：

（1）电机定转子磁链观测

根据异步电机的定转子电压方程，对定转子磁链进行观测，并利用欧拉公式进行离散化公式如下：

（1）

Rs、Rr、Ls、Lr、Lm为定、转子电阻、电感和互感。

（2）预测模型

定子磁链的预测也遵循定子电压方程，预测式如下：

（2）

根据电机电磁转矩与定子电流的关系[5]，可得要对电磁转矩的预测，首先需要实现定子电流的预测，根据定子动态方程得定子电流的预测如下：

上式中各参数含义如文献[7]。

根据式（1）（3），电磁转矩的预测公式为：

最后，由输入滤波器模型得电流is的预测公式：

（5）

上式各參数如文献[5]。其中

考虑到网侧电压vs（k+1）≈vs（k），输入侧瞬时无功功率的预测式为：

（7）

（3）品质函数优化

建立品质函数（8）并优化，即选择使函数最小的开关状态为下一时刻最优开关状态：

其中，λ1、λ2、λ3为变量的权重系数。

（4）零电流换流（ZCC）

零电流换流如图3，在逆变级开关周期两端分配固定占空比零矢量（000），作用时间要大于开关开通或关断时间，本文以英飞凌BSM50GB120DN2功率模块为例，设置单段零矢量U0作用时间为To=4？滋s，即开关组合中单段零矢量占空比为To/Ts。

3 仿真分析

利用MATLAB/similunk软件进行仿真。参数如下：Vsm=300v，fn=50Hz;采样频率fs=20kHz;滤波器Rf=0.5Ω，Lf=5mH，Cf=20μF;λ1=600，λ2=30000，λ3=3;电机电磁转矩基准值Te*=14N.m，定子磁链基准值ψs*=0.96Wb。IM在t=1.2s时转速由800r/min变为300r/min，在t=1.5s时，负载转矩由3N.m变为5N.m;

从图4（a）看出IM可保持给定转速，且定子电流正弦性较好;图4（b）中当负载转矩和转速发生突变时，响应快超调小，电机动静态性能良好，可实现正常调速运行。从图5（a）看出输入侧网测电压和电流基本达到同相位，且网测电流正弦性良好。如图5（b），当IMC逆变级在t=0.1064s前后成功插入零矢量，此时直流侧电流idc为0，整流级发生开关动作切换，由（100100）切换至（100001），零电流换流实现。

4 结论

本文提出的新型ZCC-MPC方法可实现：（1）输出侧IM动静态性能良好，实现高性能调速。（2）网侧电压、电流基本同相位，无功功率约为零。（3）IMC整流级实现安全的零电流换流，大大简化了传统的四步换流策略，为实验的成功打下基础。

参考文献：

[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.