[发明专利]双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机模型预测控制方法

说明书

本发明公开了双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机模型预测控制方法，利用网侧输入电压、电流、开关电路输入侧电压，双级矩阵变换器开关矩阵模型和同步磁阻电机定子电流及转子角速度，建立双级矩阵变换器驱动同步磁阻电机系统数学模型并离散化，依据建立的离散数学模型对输入无功功率和同步磁阻电机定子磁链和电磁转矩进行预测，并建立下一时刻输入无功功率、同步磁阻电机定子磁链和电磁转矩与各自参考值之间误差的功能函数，以此功能函数为约束对双级矩阵变换器的开关状态进行寻优，利用最优开关状态实现同步磁阻电机控制。本发明能消除整流级和逆变级间相互耦合影响及能使双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机系统具有优良传动性能和高抗扰性。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机模型预测控制方法。

背景技术

随着电力电子技术及计算机控制技术的发展，交流调速系统已被逐步普及，它的主要供电设备是电力变换器。传统的电力变换器一直无法克服变换器本身固有的缺陷如功率因数低，能量只能单向流动且对电网污染大等。而近年来提出的新型变换器—双级矩阵变换器，拓扑如图1所示，直流侧无储能电容，在节约成本的同时缩小了装置体积，性能上可实现输入输出电流正弦、输入功率因数可控且能量双向流动。驱动电机时使系统具有优良传动性能同时，更对电网无谐波污染。

同步磁阻电机(Synchronous Reluctance Motor，SynRM)定子与异步电机相同，转子通过在硅钢片上挖槽形成磁障，由多层磁障转子叠片叠压而成，特殊的转子结构实现SynRM交、直轴磁路巨大的磁阻差异，产生磁阻性质的驱动转矩。与异步电机相比，转子上无绕组，制造加工简单，同时转子无铜耗，效率更高，绕组温升小。相同转速下，转矩出力更大；与开关磁阻电机相比，同步磁阻电机转子表面光滑、磁阻变化较为连续，避免了开关磁阻电机运行时转矩脉动和噪声大的问题；与永磁同步电机相比，转子上不含永磁体，成本更低，无弱磁和高温失磁问题。

随着社会发展，很多场合对电机控制性能的要求越来越高，在传统的控制系统中，PI调节器具有受不确定因素影响大、参数整定复杂等缺点，已难以满足高性能的控制需求。由于双级矩阵变换器独特的拓扑结构，直流侧缺少储能电容，带来装置功率密度高等优势同时也使其整流逆变两级相互耦合，输入侧的电网、滤波参数的变化都会直接影响到输出，同样，功率开关本身的性能，检测器件的误差，以及环境等其他因素的影响，都会直接导致双级矩阵变换器输出的不稳定，此种情况下双级矩阵变换器驱动同步磁阻电机时输出性能会受到影响，同时输入性能亦会恶化。

为解决上述问题，提出用模型预测控制实现双级矩阵变换器驱动同步磁阻电机的一体化控制，消除上述扰动影响，实现优良传动性能同时，更具有优异网侧性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机模型预测控制方法，能消除整流级和逆变级间相互耦合影响并能使双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机系统具有优良传动性能和高抗扰性。

本发明所采用的技术方案是，双级矩阵变换器驱动的同步磁阻电机模型预测控制方法，利用网侧输入电压、电流、开关电路输入侧电压，双级矩阵变换器开关矩阵模型和同步磁阻电机定子电流及转子角速度，建立双级矩阵变换器驱动同步磁阻电机系统数学模型并离散化，依据建立的离散数学模型对输入无功功率和同步磁阻电机定子磁链和电磁转矩进行预测，并建立下一时刻输入无功功率、同步磁阻电机定子磁链和电磁转矩与各自参考值之间误差的功能函数，以此功能函数为约束对双级矩阵变换器的开关状态进行寻优，利用最优开关状态实现同步磁阻电机控制。

本发明的特点还在于：

建立双级矩阵变换器驱动同步磁阻电机数学模型，具体为：

在三相静止坐标轴下，同步磁阻电机的定子电压方程如式(1)所示：