林蒙丹，趙雪林

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院,江蘇 徐州 221140；2.徐州華美電力工程有限責任公司,江蘇 徐州 221000)

電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展,交流調(diào)速系統(tǒng)也在不斷地提升著性能,傳統(tǒng)的變頻器往往不采用直流電直接通過逆變器轉(zhuǎn)換成電機驅(qū)動電源,而是通過三相的不控整流模塊先將電網(wǎng)的三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電,然后再經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換成交流電進行電機驅(qū)動。

近年來,為了解決直流側(cè)電容帶來的可靠性以及成本問題,已有專家學(xué)者對無電解電容的變頻器進行了研究[1-4]。而用雙級矩陣變換器作為電機的驅(qū)動器已有很多專家學(xué)者進行了嘗試,這種拓撲結(jié)構(gòu)彌補了傳統(tǒng)變頻器結(jié)構(gòu)電網(wǎng)側(cè)電流的不可控的缺陷,能夠獲得更優(yōu)良的電網(wǎng)性能[5-8]。文獻[9]針對雙級矩陣變換器-永磁同步電機系統(tǒng)傳統(tǒng)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略中存在輸入電流質(zhì)量差、轉(zhuǎn)矩和磁鏈波動較大的問題,以雙級矩陣變換器的整流級和逆變級作為研究對象,提出一種占空比優(yōu)化控制策略。文獻[10]設(shè)計了一種基于雙級矩陣變換器驅(qū)動的永磁同步電機滑模變結(jié)構(gòu)直接轉(zhuǎn)矩控制方案。文獻[11]中的雙級矩陣變換器整流級采用空間矢量調(diào)制策略,逆變級采用直接轉(zhuǎn)矩控制策略。文獻[12]將一種基于新型趨近律滑?？刂扑惴☉?yīng)用于控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速,彌補永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)在負載擾動情況下轉(zhuǎn)速波動很大的問題。文獻[13]針對傳統(tǒng)PI 控制器對電機轉(zhuǎn)速控制響應(yīng)速度慢,控制精度低,以及電機調(diào)速、負載參數(shù)變化時,很難達到預(yù)期效果等問題,提出了一種利用模糊控制構(gòu)建模糊自適應(yīng)PI 控制器,實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流閉環(huán)控制。

本文提出將模型預(yù)測控制應(yīng)用于雙級矩陣變換器之中,同時用于電機驅(qū)動。一般來說,雙級矩陣變換器需要前后級的協(xié)調(diào)控制,而模型預(yù)測控制是一種一體化的新型控制方法,這種方法需要遍歷所有的開關(guān)狀態(tài)組合,這無疑避免了前后級的協(xié)調(diào)控制。無論前后級之間需要何種協(xié)調(diào)方法,歸根結(jié)底都是體現(xiàn)在開關(guān)狀態(tài)組合上,因此模型預(yù)測控制能夠提高控制的簡易程度。

1 模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制是一種多目標控制方法,在本文中,控制目標可以分為兩個,一個是電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù),具體體現(xiàn)在控制輸入無功功率為零；另一個是驅(qū)動電機的電流。本文的模型預(yù)測控制原理可以概括為:

(1)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)雙級矩陣變換器的模型特征,需要對前后級變換器分別進行模型建立,同時還需要建立濾波器以及電機的數(shù)學(xué)模型。

(2)開關(guān)狀態(tài)表的建立。這一環(huán)節(jié)將會統(tǒng)計每個逆變器所有的可能開關(guān)狀態(tài),每一個開關(guān)狀態(tài)又會通過控制目標的計算公式得到其唯一的值。

(3)品質(zhì)函數(shù)的建立。本文選擇以電網(wǎng)側(cè)無功功率、定子磁鏈的誤差以及電機轉(zhuǎn)矩的誤差為控制目標建立品質(zhì)函數(shù)。

2 數(shù)學(xué)模型

圖1 雙級矩陣變換器拓撲

整流級的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:udc和idc分別為直流側(cè)電壓與電流,ue=[ueauebuec]T為LC濾波電容Cf的電壓；ie=[ieaiebiec]T為LC濾波器后線路上的電流；Sxp和Sxn分別為整流級上下開關(guān)管,p代表上部分,n代表下部分,x=a,b,c。式中,相對應(yīng)的s為開關(guān)狀態(tài)量,1 表示開通,0 表示關(guān)斷。

逆變級的數(shù)學(xué)模型如下:

式中:io=[ioaiobioc]T為逆變級輸出電流；uo=[uoauobuoc]T為逆變級輸出電壓。Sxp和Sxn分別為逆變級上下開關(guān)管,p代表上部分,n代表下部分,x=u,v,w。1 表示開通,0 表示關(guān)斷。

而電網(wǎng)側(cè)的LC濾波器數(shù)學(xué)模型為:

式中:Rf、Lf、Cf分別為該濾波器的電感寄生電阻、電感和電容；is=[isaisbisc]T為電網(wǎng)電流,us=[usausbusc]T為電網(wǎng)電壓。

同步電機定子電壓方程為:

與先民過于推崇“拙”的情形不太一致，他們對于“巧”的態(tài)度，卻呈現(xiàn)出一定的矛盾性。從文獻看來，隨著歷史的推進，先民對“巧”的態(tài)度，開始發(fā)生變化：

式中:ux和ix分別表示電機三相定子電壓和定子電流；R為電樞電阻,Ψx分別為三相磁鏈。x=A,B,C。

磁鏈方程為:

式中:Laa、Lbb、Lcc分別為每一相繞組自感,而Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca、Mcb分別為各相繞組互感。

3 開關(guān)狀態(tài)組合

電力電子變換器至關(guān)重要的一點就是開關(guān)狀態(tài)的組合,各種控制方法最終都是體現(xiàn)在驅(qū)動開關(guān)管進行開通與關(guān)斷。雙級矩陣變換器分為前后級,分別為整流級以及逆變級,對于前后兩級具有不同的開關(guān)狀態(tài)組合,分別如表1 和表2 所示。

表1 整流級開關(guān)組合

表2 逆變級開關(guān)組合

從上述開關(guān)狀態(tài)組合中,剔除表1 中最后三組,目的是為了提高電壓的利用率。因此本文的雙級矩陣變換器一共具備48 種組合。

4 品質(zhì)函數(shù)

品質(zhì)函數(shù)的作用是用來評判開關(guān)組合選取的合理性。本文模型預(yù)測控制所選的控制目標為電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、定子磁鏈的誤差以及電機轉(zhuǎn)矩的誤差。因此可以建立如下的品質(zhì)函數(shù):

如圖2 所示為模型預(yù)測控制流程圖,從圖中可以看出本文最終需要遍歷所有的開關(guān)組合狀態(tài)進行尋優(yōu),從而得到每一個開關(guān)周期內(nèi)的最佳開關(guān)狀態(tài),從而驅(qū)動雙級矩陣變換器。

圖2 模型預(yù)測控制流程圖

然而,當變換器的開關(guān)狀態(tài)組合較多時,遍歷所有的開關(guān)狀態(tài)無疑會加重計算的負擔,因此一種好的尋優(yōu)算法是十分必要的。

5 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法尋優(yōu)

BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是來源于人體神經(jīng)對于信息處理的人工智能算法,本文應(yīng)用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對開關(guān)狀態(tài)進行尋優(yōu),其實現(xiàn)步驟可以概括為:

(1)初始化。設(shè)置權(quán)值向量wij、vjt分別是輸入變量與中間變量的過渡向量、中間變量和輸出向量的過度向量,θj、γt分別為隱含層和輸出層的閾值。其中,i=1,2,…,n,j=1,2,…,p,t=1,2,…,m。

(2)學(xué)習(xí)訓(xùn)練。對輸入樣本和目標樣本進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。

(3)修正過渡向量以及閾值。

如圖3 所示為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的實現(xiàn)流程圖。

圖3 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖

6 實驗結(jié)果

為了驗證本文所提方案的正確性與有效性,搭建了實驗平臺對其進行驗證。圖4 為系統(tǒng)實現(xiàn)框圖。表3 為實驗參數(shù)。圖5 為實驗裝置。

圖4 實現(xiàn)框圖

圖5 實驗裝置

表3 實驗參數(shù)

如圖6 所示為輸入側(cè)的A 相電壓電流波形,從圖中可以看出電壓電流同相位,電流正弦度良好,具有良好的網(wǎng)側(cè)性能,對大電網(wǎng)無污染。

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

如圖7 所示為輸出電流波形,從圖中可以看到輸出電流正弦度良好。

圖7 輸出電流波形

如圖8 所示為電機dq軸電流與給定波形,其中圖8(a)為定子電流的q軸分量,從圖中可以看出電流跟蹤誤差較小,同時動態(tài)效果良好,超調(diào)較小。圖8(b)為定子電流的d軸分量,從圖中可以看出,d軸電流始終不變,且能夠很好地跟蹤給定,證明了本文所提控制方法的有效性,同時電流跟蹤效果的快速性較好,證明本文所采用的的尋優(yōu)算法是十分可靠有效的。

圖8 電機電流跟蹤波形

7 結(jié)論

本文以雙級矩陣變換器為拓撲結(jié)構(gòu),作為電機驅(qū)動,彌補傳統(tǒng)電機變頻器網(wǎng)側(cè)電流不可控的問題。提出一種模型預(yù)測控制方法避免前后級協(xié)調(diào)問題,在此基礎(chǔ)上采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行尋優(yōu)遍歷所有的開關(guān)狀態(tài)。實驗波形驗證了本文所提方法的有效性與正確性。