一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法、系统及设备

技术领域

本发明属于无刷双馈电机控制技术领域，具体涉及一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法、系统及设备。

背景技术

无刷双馈电机具有功率因数可调、变频器容量小、结构简单、维修成本低的优点，在清洁能源、船舶轴带发电等领域有广泛的关注和应用。

目前，针对无刷双馈电机的控制策略，经典的控制策略，如矢量控制、直接转矩控制等均有研究，适应于多变量、非线性系统，且概念简单、结构灵活的模型预测控制也应用于无刷双馈电机的发电系统也有研究，但却鲜有方法实现其电动状态下的模型预测控制。究其原因，模型预测控制虽然有上述优点，但其参数依赖性高、计算量大，且转矩脉动往往较大也是其不可避免的缺点，该缺点在对无刷双馈电机电动态的控制中尤为突出。因此，如何解决上述问题，是将模型预测控制技术应用于无刷双馈电机的关键。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能够降低预测控制的计算量、提高参数鲁棒性的无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法、系统及设备。

为实现以上目的，本发明的技术方案如下：

第一方面，本发明提出一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法，包括；

S1、确定单位时段内控制绕组的电流增量；

S2、基于单位时段内控制绕组的电流增量分别计算各有效输出电压矢量以及零输出电压矢量的价值函数；

S3、选择价值函数最小的矢量作为下一时段的输出电压矢量，并基于下一时段的输出电压矢量占空比进行功率解耦控制。

所述S1根据下式确定单位时段内控制绕组的电流增量：

Δi

Δi

上式中，Δi

常数A、B、C、D通过以下方法计算得到：

第一步，控制绕组逆变器输出直流电压，即f

第二步，控制绕组逆变器输出零电压矢量，基于电流观测结果与转速计算得到B、D的值。

所述S2根据下式计算各有效电压矢量以及零电压矢量的价值函数：

上式中，g(i)为第i个电压矢量的价值函数，k

所述S3中，下一时段的输出电压矢量占空比d根据下式计算得到：

第二方面，本发明提出一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制系统，包括电流增量计算模块、价值函数计算模块、输出电压矢量选择模块、功率解耦控制模块；

所述电流增量计算模块用于确定单位时段内控制绕组的电流增量；

所述价值函数计算模块用于基于单位时段内控制绕组的电流增量分别计算各有效电压矢量以及零电压矢量的价值函数；

所述输出电压矢量选择模块用于选择价值函数最小的矢量作为下一时段的输出电压矢量；

所述功率解耦控制模块用于计算下一时段的输出电压矢量占空比，并基于该占空比进行功率解耦控制。

所述电流增量计算模块包括常数计算单元、电流增量计算单元；

所述常数计算单元用于通过以下方法计算得到常数A、B、C、D：

第一步，控制绕组逆变器输出直流电压，即f

第二步，控制绕组逆变器输出零电压矢量，基于电流观测结果与转速计算得到B、D的值；

所述电流增量计算单元用于根据下式确定单位时段内控制绕组的电流增量：

Δi

Δi

上式中，Δi

所述价值函数计算模块根据下式计算各有效电压矢量以及零电压矢量的价值函数：

上式中，g(i)为第i个电压矢量的价值函数，k

所述功率解耦控制模块根据下式计算下一时段的输出电压矢量占空比d：

第三方面，本发明提出一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制设备，包括处理器以及存储器；

所述存储器用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；

所述处理器用于根据所述计算机程序代码中的指令执行上述基无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出的一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法，先确定单位时段内控制绕组的电流增量，再基于单位时段内控制绕组的电流增量分别计算各有效输出电压矢量以及零输出电压矢量的价值函数，最后选择价值函数最小的矢量作为下一时段的输出电压矢量，并基于下一时段的输出电压矢量占空比进行功率解耦控制；该方法通过对每个采样周期内电流变化量的分析，提供了一种新的电流增量计算方式，该计算方式无需采集精确的电机参数，可有效降低模型预测控制的计算量，并提高参数鲁棒性。

附图说明

图1为实施例1中控制绕组的旋转坐标系与电压矢量的对应关系图。

图2为实施例2所述系统的框架图。

图3为实施例3所述设备的框架图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式以及附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种可降低参数依赖性的无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法，提出了一种新的电流增量计算方式，该计算方式通过以下方法得出：

通过分析旋转坐标系下的数学模型给出解耦控制的关键理论；对控制绕组电流求导并解耦，将电流增量改写成两部分分量的组合；对每个分量单独分析，将电流增量改写成仅与转速和角度有关的变量，并通过特定实验方法得出电流增量计算公式中各常数的值，从而不需要电机参数即可计算出电流增量。

通过该新的电流增量计算方式选用输出电压矢量和计算占空比，可有效降低模型预测控制的计算量，并提高参数鲁棒性。

实施例1：

一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法，依次按照以下步骤实施：

1、分析旋转坐标系下的数学模型，给出解耦控制的关键理论。

1.1、给出两相旋转坐标系下的无刷双馈电机模型

将控制绕组视为以(p

上式中，θ

旋转坐标系下的数学模型为：

电压方程：

上式中，u

磁链方程：

上式中，L

绕组电感：

上式中，L

1.2、功率绕组定向下的功率解耦

将同步旋转坐标系的d轴定向于功率绕组电压矢量U

将其带入式(3)中，则有：

进而可得到转子绕组电流和功率绕组电流的关系：

忽略转子电阻又可得到控制绕组与功率绕组的关系：

以上解耦控制策略的对应关系为后续推导的基础。

2、设计降低参数依赖性的电流增量计算方法，具体包括：

2.1、由所推导控制绕组电流、功率绕组电流、转子绕组电流间关系将控制绕组磁链中的变量降阶，即将式(3)中控制绕组磁链的转子电流用式(7)和式(8)替代为控制绕组电流之后，得：

忽略控制绕组电阻，由式(2)和式(9)可得：

将式(10)离散化得到分析电流增量的关键表达式如下：

上式中，Δi

2.2、分部观察单位时段内的电流增量，可分为与下一时刻所选电压矢量有关的控制绕组d轴电压项，和只与当前时刻状态值有关的转速磁链乘积项，对两部分具体分析如下：

首先对电压项进行分析，矢量控制中旋转坐标系与矢量的对应关系如图1所示，将6个有效电压矢量分别在d、q轴投影(i为1-6，对应图1中的6个矢量)，即可得到d、q轴电压表达式：

上式中，θ

在工程实践中，控制绕组q轴磁链公式里的第一项的值相比第二项较小，忽略之后得：

观察两部分可以看出，电压项为θ

上式中，A、B、C、D为常数，其确定方法为：

第一步，控制绕组逆变器输出直流电压，即f

第二步，控制绕组逆变器输出零电压矢量，此时式(15)中两个表达式的第一项均为0，将电流观测结果与转速计算得到B、D的值。

3、基于式(15)计算当前时段内控制绕组的电流增量，并通过式(16)分别计算/6个有效输出电压矢量以及零输出电压矢量的价值函数：

上式中，g(i)为第i个电压矢量的价值函数，k

4、选择价值函数最小的矢量作为下一时段的输出电压矢量，并基于式(17)计算下一时段的输出电压矢量占空比d，以该占空比进行功率解耦控制，以减小转矩脉动：

实施例2：

如图2所示，一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制系统，包括电流增量计算模块、价值函数计算模块、输出电压矢量选择模块、功率解耦控制模块，所述电流增量计算模块包括常数计算单元、电流增量计算单元。

所述常数计算单元用于通过以下方法计算得到常数A、B、C、D：

第一步，控制绕组逆变器输出直流电压，即f

第二步，控制绕组逆变器输出零电压矢量，基于电流观测结果与转速计算得到B、D的值。

所述电流增量计算单元用于根据下式确定单位时段内控制绕组的电流增量：

Δi

Δi

上式中，Δi

所述价值函数计算模块用于根据下式计算各有效电压矢量以及零电压矢量的价值函数：

上式中，g(i)为第i个电压矢量的价值函数，k

所述输出电压矢量选择模块用于选择价值函数最小的矢量作为下一时段的输出电压矢量。

所述功率解耦控制模块用于根据下式计算下一时段的输出电压矢量占空比，并基于该占空比进行功率解耦控制：

上式中，d为输出电压矢量占空比。

实施例3：

如图3所示，一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制设备，包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序代码，并将所述计算机程序代码传输给所述处理器；所述处理器用于根据所述计算机程序代码中的指令执行实施例1所述的一种无刷双馈电机模型预测功率解耦控制方法。