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基于预测误差补偿的永磁同步电机简化三矢量模型预测电流控制研究

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基于预测误差补偿的永磁同步电机简化三矢量模型预测电流控制研究

作者：张传畅哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因具有功率密度高、调速范围宽以及转矩电流比大等诸多优点,已经在工业领域得到了广泛应用。PMSM模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为一种先进电机控制策略,具有原... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)因具有功率密度高、调速范围宽以及转矩电流比大等诸多优点,已经在工业领域得到了广泛应用。PMSM模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为一种先进电机控制策略,具有原理简单、便于处理非线性约束、动态响应速度快等优点。然而,传统单矢量MPC策略的稳态控制性能较差,多矢量MPC策略虽然具有良好的稳态控制性能,但其计算量相对较高。此外,MPC策略对预测模型的依赖性较强,当预测模型中的电机参数与实际电机参数不匹配时,预测值与实际值之间会存在预测误差,进而影响MPC策略的控制性能。针对上述问题,本文以模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)策略为例,对如何减小多矢量MPC的计算量以及抑制参数失配对MPC的不利影响进行研究。首先建立PMSM的数学模型,并分别对传统单矢量MPCC、双矢量MPCC、三矢量MPCC的原理进行分析。进而针对三矢量MPCC策略计算量大的问题,提出了一种简化三矢量MPCC策略。该方法中仅有一个扇区需要通过求解电流无差拍方程的方式获取相应的电压矢量作用时间,其它扇区对应的电压矢量作用时间可以根据矢量合成原理直接通过简单的加减运算获取从而减小计算量。另外,在简化三矢量MPCC策略中引入以电压误差作为约束的价值函数,无需对待选电压矢量进行电流预测,进一步减小了计算量。仿真结果表明,简化三矢量MPCC策略具有和传统三矢量MPCC策略相同的动稳态控制性能,且计算量更低。其次,针对电机参数失配产生的预测误差导致MPCC策略控制性能下降的问题,对预测误差补偿方法进行研究。预测误差补偿方法中补偿系数的稳定程度易受电流采样噪声的影响,对此本文设计了一种补偿系数的处理方法,该方法采用滤波系数可变的一阶低通滤波函数对补偿系数进行滤波,滤波系数根据当前控制周期中补偿系数的可靠程度进行取值。将预测误差补偿方法与简化三矢量MPCC策略结合并搭建仿真模型,仿真结果表明,本文设计的补偿系数处理方法对电流采样噪声造成的补偿系数脉动具有良好的抑制作用,且处理后的补偿系数能够对简化三矢量MPCC策略在参数失配时进行有效的预测误差补偿。最后,搭建PMSM实验平台对本文所提方法进行实验验证。对实验结果进行分析可知,简化三矢量MPCC策略具有良好的动稳态控制性能,结合预测误差补偿方法后,其d、q轴电流在参数失配时仍能准确跟踪给定值且脉动幅度相对参数匹配时无明显上升。

关键词：永磁同步电机模型预测电流控制简化计算预测误差补偿

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永磁同步电机电流预测控制策略研究

永磁同步电机电流预测控制策略研究

作者：徐晓明中国矿业大学

学位级别：硕士

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)功率密度高、过载能力强,在现实生活中有着广泛的应用。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)可实现对PMSM系统的高效控制,但传统的MPC控制策略存在对模型敏感、参数失配... 详细信息

永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)功率密度高、过载能力强,在现实生活中有着广泛的应用。模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)可实现对PMSM系统的高效控制,但传统的MPC控制策略存在对模型敏感、参数失配等问题,系统控制性能无法达到最优。为此,本文以永磁同步电机为主要研究对象,以模型预测控制为基础控制策略,分别提出最优双矢量组合MPC控制策略以及改进电流预测误差补偿方法的MPC控制策略,对控制系统稳态性能进行改善。首先,根据永磁同步电机的数学模型,通过坐标变换,推导得到不同坐标系下的PMSM数学模型,通过离散方法得到电机预测模型,确定价值函数,分析了延时问题带来的误差,并通过两步预测方法对延时问题进行补偿。传统占空比模型预测控制在电压矢量选择时,第二个电压矢量选择只能为零矢量,优化效果不理想。针对此问题,本文提出一种基于最优双矢量组合的MPC控制策略,该方法考虑了全部可能的电压矢量组合,并计算相应占空比。该方法首先使用预测所得电流值转换得到参考电压矢量,通过参考矢量转换、扇区转换以及最优矢量选择,从而选择出最优电压矢量,减少计算量的同时提高系统性能,计算三个周期内的反电动势平均值,降低计算误差。搭建MATLAB/Simulink仿真,对比验证了基于占空比模型预测控制策略与最优双矢量组合的模型预测控制策略,仿真证明所提出控制策略具有较好的稳态特性,验证了控制策略的有效性。另外,深入分析研究了模型预测控制预测误差产生的原因,推导出预测误差公式,根据不同电机参数的影响程度,介绍了传统电流预测误差补偿方法,在该方法的基础上,与最优双矢量模型预测控制策略相结合,对传统方法优化。首先对空间电压矢量空间进行区域划分,确定所施加的电压矢量所在区域,同时计算电流预测值与实际值之间的预测误差,根据电压矢量区域不同对预测电流值进行补偿,补偿后电流再进行最优双矢量组合选择,选择出最优双矢量组合,该方法可对电流预测误差值进行补偿,提高PMSM控制系统的控制准确度以及系统鲁棒性。搭建MATLAB/Simulink仿真,验证了改进电流预测误差补偿的补偿效果,仿真证明了该控制策略都具有一定的补偿效果,控制精度更高。通过PMSM实验平台对所提出的两种控制策略进行实验验证。对比分析不同控制策略与传统控制策略的控制效果,实验表明本文所提两种控制策略均有较好的控制效果,具有较强的系统鲁棒特性。该论文有图61幅,表5个,参考文献82篇。

关键词：永磁同步电机模型预测控制最优双矢量预测误差补偿

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永磁同步电机模型预测电流误差补偿研究

永磁同步电机模型预测电流误差补偿研究

作者：沈光辉中国矿业大学

学位级别：硕士

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有多种优点——高功率密度、高效率、控制简单,目前已经在工业现场得到了广泛的应用。近年来,针对PMSM的许多高性能的控制策略应运而生,模型预测电流控制（Model Predictive ... 详细信息

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM）具有多种优点——高功率密度、高效率、控制简单,目前已经在工业现场得到了广泛的应用。近年来,针对PMSM的许多高性能的控制策略应运而生,模型预测电流控制（Model Predictive Current Control,MPCC）成为了其中的亮点。但是由于MPCC策略严重依赖于电机数学模型,在参数失配、延时误差等多重因素的作用下,往往会出现电流预测精度下降、控制效果变差的现象。针对这一问题,本文详细分析了不同因素对于电流预测误差的影响,并提出了两种预测误差补偿策略。一方面,本文由PMSM传统电压方程推导了增量式电压方程,并应用于dq轴电流预测,消除了磁链参数失配对于预测结果的影响。基于增量式模型预测,详细分析了延时、参数失配和逆变器非线性三个主要因素造成的误差,然后对于不同的误差因素分别进行补偿。针对延迟因素,利用两步预测方式消除其造成的预测误差;针对参数失配因素,详细分析了电阻及电感失配对预测误差的影响程度,明确了电感失配补偿的重要性,然后将增量式方程模型与带遗忘因子的最小二乘算法（Forgetting Factor Recursive Least Square,FFRLS）相结合,构建出了“满秩”参数辨识模型,并在线估计出电机参数值,以消除电感参数失配造成的误差;针对逆变器非线性因素,详细分析了逆变器在不同开关切换模式下的误差电压,推导了逆变器dq轴的误差电压公式,用于补偿其非线性引入的电流预测误差。本文提出的多因素补偿策略可以实现误差的有效补偿,提高了控制算法的鲁棒性。另一方面,本文深入研究了传统的查找表（Look Up Table,LUT）法误差补偿策略,在该方法中需要将不同电压矢量作用后引起的电流预测误差进行采样并存储形成查找表（LUT）,用于后续电流预测值的补偿。但是由于此方法中一些电压矢量会在很长一段时间未被施加,而导致其对应的电流预测误差停止更新,电流控制效果变差。因此提出一种改进的LUT法,通过建立PMSM的小信号模型,推导出未被施加的电压矢量作用后的实际电流的估算公式。可以实现每个周期内所有电压矢量预测误差的更新,提高了预测误差的补偿精度。为验证上述两种电流预测误差补偿策略的有效性,本文搭建了Simulink仿真以及PMSM实验平台,去对比不同策略的稳态电流预测误差以及参数鲁棒特性。仿真及实验结果表明两种电流误差补偿方案均能实现较好的补偿效果,并且也具有较强的参数鲁棒特性。该论文有图61幅,表6个,参考文献85篇。

关键词：永磁同步电机预测误差补偿增量式模型预测查找表法误差补偿

永磁同步电机转矩与定子磁链模型预测控制预测误差补偿方法

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电工技术学报 2022年第22期37卷 5728-5739页

作者：周奇勋刘帆吴紫辉龚豪杜光辉西安科技大学电气与控制工程学院西安710054

针对永磁同步电机有限集模型预测控制过程中对电机参数鲁棒性较差的问题,提出了一种具有预测误差补偿的鲁棒型模型预测控制方法。分别考虑了转矩与定子磁链两个回路,采用延迟补偿的方式,将k时刻的预测值与实际值之间的误差值作为补偿因... 详细信息

针对永磁同步电机有限集模型预测控制过程中对电机参数鲁棒性较差的问题,提出了一种具有预测误差补偿的鲁棒型模型预测控制方法。分别考虑了转矩与定子磁链两个回路,采用延迟补偿的方式,将k时刻的预测值与实际值之间的误差值作为补偿因素反馈到k+1时刻的预测模型中。为了保证预测误差补偿的准确性,重点研究了在一个控制周期内得到所有电压矢量对应的转矩与定子磁链误差的计算方法。仿真和实验结果表明,在电机参数失配情况下,通过该补偿方法能够获得可靠的转矩与定子磁链预测值,提升了电机参数在模型预测控制中的鲁棒性。

关键词：永磁同步电机转矩与定子磁链预测控制预测误差补偿参数鲁棒性

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低载波比下多相感应电机的电流控制研究

低载波比下多相感应电机的电流控制研究

作者：黄启岚浙江科技学院

学位级别：硕士

近年来,随着新能源电动汽车受到越来越多的关注,电机驱动控制系统被广泛应用在电动汽车这类大功率场合。多相感应电机能够通过低压功率器件实现大功率传动,并且可在谐波平面注入特定次数的谐波电流以改善磁场分布、提高转矩密度,这些优... 详细信息

近年来,随着新能源电动汽车受到越来越多的关注,电机驱动控制系统被广泛应用在电动汽车这类大功率场合。多相感应电机能够通过低压功率器件实现大功率传动,并且可在谐波平面注入特定次数的谐波电流以改善磁场分布、提高转矩密度,这些优势已使多相感应电机成为大功率应用场合的可行解决方案。然而在多相感应电机谐波平面的控制过程中,由于大功率逆变器的开关频率受到限制,开关频率与谐波平面电流频率的比值（载波比）较低,导致谐波平面的电流控制性能较差。本文以九相感应电机为研究对象,针对低载波比下谐波平面的电流控制性能恶化的问题,对非正弦供电技术和模型预测控制（MPC）技术进行了比较深入的研究,文章的主要内容如下:第一,从电机绕组函数出发,对多相感应电机的磁动势进行了分析,从本质上阐述了多相感应电机与三相电机在控制自由度方面的区别,并且建立了多相感应电机在任意旋转坐标系下的电机模型。此外,介绍了非正弦供电技术的基本原理,基于相关文献的理论方法,针对仅注入3次谐波电流和注入3、5、7次谐波电流这两种供电方式,确定了两者的谐波注入比例和相位。基于九相感应电机驱动控制系统的实验平台,通过实验分析比较了正弦供电和两种谐波电流注入方式下的电机控制性能,以达到利用非正弦供电技术来优化电机磁场分布、提高铁芯利用率和转矩密度的目的。在2k Hz的开关频率下,通过实验分析了低载波比下非正弦供电技术的局限性,结果表明,低载波比下谐波平面电流环的PI控制器的电流控制性能较差。第二,针对低载波比下传统PI控制器对于电流控制性能较差的问题,探讨了采用MPC这种新算法来替代传统PI控制器的可行性。一方面,在仅注入3次谐波电流的前提下,分别在九相感应电机的基波平面和3次谐波平面建立传统MPC离散模型。另一方面,通过实验分别分析了传统MPC算法在常规载波比和低载波比下的控制性能。实验表明,传统MPC算法在常规载波比下具有良好的电流控制性能和较强的参数鲁棒性,然而在低载波比下传统MPC算法却无法准确求解控制电压,导致谐波平面的电流控制效果变差,最终系统失稳。第三,针对低载波比下传统PI控制器和传统MPC算法均无法准确控制谐波电流的问题,提出了一种带预测误差补偿方案的MPC算法,实现了低载波比下电流的无静差预测控制。一方面,采用增量化处理和状态扩张的方式建立了MPC离散模型,利用价值函数求解控制电压。另一方面,考虑到传统MPC算法在低载波比下难以准确对控制电压进行求解,提出了利用电流预测误差来矫正控制电压的方案。实验表明,低载波比下改进的MPC算法能克服常规PI控制器和传统MPC算法的不足,准确跟踪谐波电流指令,并且对电机参数仍有较强鲁棒性。

关键词：多相感应电机非正弦供电低载波比模型预测控制预测误差补偿参数鲁棒性

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风储联合系统中储能选址定容及控制策略研究

风储联合系统中储能选址定容及控制策略研究

作者：王彦虹上海交通大学

学位级别：硕士

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重,风力发电的发展得到世界各国的大力推动,风电渗透水平也不断提高。然而,相比于常规电源,风电随机性高,波动大,可调度水平较差。风电大规模直接接入电网,将对电网电能质量和电力调度产生较大... 详细信息

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重,风力发电的发展得到世界各国的大力推动,风电渗透水平也不断提高。然而,相比于常规电源,风电随机性高,波动大,可调度水平较差。风电大规模直接接入电网,将对电网电能质量和电力调度产生较大的影响。储能具有动作迅速,调节精度高,可实现能量时空平移的优点。本文针对风电并网的两种不同形式:大型风电场直接接入高压电网以及小型风光分布式电源接入中低压配电网中的波动问题,分别研究储能配合风电并网时的控制策略和选址定容问题。主要研究内容包括:1.针对论文研究的控制策略及选址定容两类优化问题,选取粒子群算法、遗传算法作为优化求解方法,对其基本思想、算法实现进行研究,在matlab环境下实现两种方法并进行算例验证。2.针对大规模风电场直接并网,为有效提高风储联合系统中储能利用水平,实现平抑风电波动与补偿风电预测误差的综合目标,提出一种基于自适应滤波的风储联合系统协同控制策略。根据风电超短期预测数据自适应识别风功率变化模式,实现滤波系数的优化,调节储能出力,减小风电输出功率波动;在经平滑的风出力基础上,提出基于主动式能量反馈的协同控制策略,优化储能系统充放电进程,以补偿风电预测误差。最后通过算例仿真进行验证。3.配合风光等分布式电源并入中低压电网,以提高储能电池工作能力并降低电网投资成本为目标,提出一种配电网中储能选址定容的双层优化方案:外层以电网成本最低为目标,应用遗传算法优化储能配置;内层以降低网损,提高削峰填谷收益为目标,利用序列二次规划算法,优化储能充放电,对储能容量进行修正,提高储能的利用率。通过对一个含风光电源的17节点配电网进行测试证明方法的有效性,并分析风电和光伏额定功率等因素对储能系统配置结果的影响。最后对本文的研究工作做了进一步总结和展望。

关键词：风储联合系统波动平抑预测误差补偿分布式储能选址定容