寇佳寶 高 強 滕詠哮 徐殿國

負載換流逆變器驅(qū)動電勵磁同步電機無速度傳感器模型預(yù)測控制方法

寇佳寶 高 強 滕詠哮 徐殿國

（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

負載換流逆變器（LCI）驅(qū)動電勵磁同步電機控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中高壓場合，在應(yīng)對干擾和負載變化上，較大的系統(tǒng)慣性系數(shù)和較低的開關(guān)頻率導(dǎo)致其動態(tài)響應(yīng)性能欠佳。該文提出一種基于LCI驅(qū)動電勵磁同步電機的無速度傳感器模型預(yù)測控制方法。首先根據(jù)LCI的數(shù)學模型建立預(yù)測狀態(tài)方程，同時給出合適的代價函數(shù)和約束條件；然后分析負載換相模式下的控制矢量模型，給出速度觀測器的設(shè)計方法和參數(shù)選擇依據(jù)，并針對負載變化對速度觀測產(chǎn)生的影響進行分析和補償。同時該觀測器還能夠同時實現(xiàn)逆變橋輸入電壓和端電壓相位的觀測；最后，通過3.75kW的LCI驅(qū)動電勵磁同步電機實驗平臺對提出的無速度傳感器模型預(yù)測控制方法進行實驗驗證。結(jié)果表明所提出的控制方法能夠有效提升系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，所設(shè)計的觀測器具有可行性，速度觀測結(jié)果在額定階躍負載下誤差小于13°。

負載換流逆變器 電勵磁同步電機 無速度傳感器 模型預(yù)測控制

0 引言

負載換流逆變器（Load Commutated Inverter, LCI）驅(qū)動電勵磁同步電機具有容量大、成本低、可靠性高和控制簡單等特點，因此該驅(qū)動系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于高速精軋機、大型燃氣輪機、抽水蓄能電站及其他風機泵類等中高壓場合[1-4]。在高速精軋機的工況應(yīng)用中，驅(qū)動系統(tǒng)需要在鋼材加入后快速穩(wěn)定在預(yù)定轉(zhuǎn)速上，這就要求所采用的控制算法在負載快速變化時有著較好的動態(tài)響應(yīng)特性。如果穩(wěn)定轉(zhuǎn)速效果不佳，會導(dǎo)致軋制鋼材的堆積和產(chǎn)品加工失敗。而好的動態(tài)響應(yīng)能力能夠有效減小變載時的速度變化，縮短速度恢復(fù)時間，從而直接提高成品率和鋼品質(zhì)量。在大型燃氣輪機、抽水蓄能電站及其他風機泵類工況應(yīng)用中，更高的動態(tài)響應(yīng)速度能夠使系統(tǒng)更好地應(yīng)對干擾和負載變化，從而提高機組起動的成功率和系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

模型預(yù)測控制由于建模難度低、魯棒性和穩(wěn)定性較高、動態(tài)響應(yīng)性能好等優(yōu)勢逐漸開始取代傳統(tǒng)控制方法。但它同時存在穩(wěn)態(tài)波動大、計算量大等問題[6-10]。而LCI驅(qū)動電勵磁同步電機系統(tǒng)慣性系數(shù)高，這可以抑制模型預(yù)測控制帶來的穩(wěn)態(tài)波動問題。由于LCI采用半控型晶閘管器件作為其電力電子器件，因此其控制頻率通常僅為幾百赫茲，不過較低的開關(guān)頻率相比其他驅(qū)動系統(tǒng)來說，為算法在線運行留出了更充足的計算資源。文獻[10-11]提出了一種基于LCI的模型預(yù)測控制方法，該方法采用多級控制，但只有部分采用了模型預(yù)測控制，因此所采用的模型預(yù)測控制實際應(yīng)用效果受到了其他控制器的限制。

此外，傳統(tǒng)的機械式傳感器安裝繁瑣，難以保證其安裝同軸度，可靠性也較低。在一些特殊工況下，如高溫易爆和水下場合，甚至無法完成機械式傳感器的安裝。目前無傳感器控制方法已有豐富的研究成果，但大多都集中在永磁同步電機、異步電機及開關(guān)磁阻電機等[12-15]。文獻[16]設(shè)計了一種基于電勵磁同步電機的速度觀測器，但并未考慮負載變化給觀測帶來的影響。文獻[17]設(shè)計了一種速度觀測器，但負載換相模式給速度觀測帶來的影響未被考慮。

本文基于LCI驅(qū)動電勵磁同步電機控制系統(tǒng)提出了一種無速度傳感器模型預(yù)測控制方法。提出的單級模型預(yù)測控制方法能夠避免多級控制帶來的木桶效應(yīng)，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能，降低硬件成本并提高系統(tǒng)運行的可靠性。本文首先分析了LCI模型，推導(dǎo)了系統(tǒng)的預(yù)測狀態(tài)方程，并給出相應(yīng)的代價函數(shù)和參數(shù)約束。然后分析負載換流模式下的矢量模型，設(shè)計了一種適用于高速階段的多參數(shù)觀測器并給出了參數(shù)選擇依據(jù)，同時針對負載換相模式運行特點和負載變化給觀測帶來的影響進行了補償。最后通過3.75kW的LCI驅(qū)動電勵磁同步電機實驗平臺對提出的無速度傳感器模型預(yù)測控制方法進行了實驗驗證。

1 LCI驅(qū)動電勵磁同步電機模型預(yù)測控制

1.1 LCI驅(qū)動拓撲數(shù)學模型

圖1為LCI驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)主要包括整流橋、逆變橋及平波電抗器三部分。圖1中rec為整流輸出電壓，inv為逆變輸入電壓，dc為直流母線電流，dc為平波電抗器電感，dc為直流母線等效電阻。

圖1 LCI驅(qū)動器拓撲結(jié)構(gòu)

以LCI回路建立等效電壓模型，其表達式為

對于其中的三相全控整流橋來說，其輸出電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的數(shù)學關(guān)系為

式中，s為網(wǎng)側(cè)相電壓有效值；為整流橋的觸發(fā)延遲角。

在LCI驅(qū)動器中，整流橋與逆變橋具有完全相同的拓撲結(jié)構(gòu)，僅有能量流向相反。在控制策略上，整流和逆變通過改變觸發(fā)延遲角即可實現(xiàn)相互切換。為了實現(xiàn)與整流橋相反的能量流向，逆變橋的觸發(fā)延遲角需要大于90°。因此，逆變輸入電壓數(shù)學表達式可表示為

將式（2）和式（3）代入式（1）中，則LCI回路電壓方程可表示為

電機的機械運動方程為

式中，e為電機的電磁轉(zhuǎn)矩；L為負載轉(zhuǎn)矩；為軸系轉(zhuǎn)動慣量；為粘滯系數(shù)；r為轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速。

忽略逆變橋的能量損耗，電機的電磁轉(zhuǎn)矩可以表示為

當電勵磁同步電機采用恒勵磁電流控制時，uinv/idc可近似為定值。將式（6）代入式（5）中，電機的機械運動可表示為