[发明专利]一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法

说明书

本发明公开了一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，该方法包括根据列车信息控制系统，获取永磁牵引电机的控制目标，确定混合多电平逆变器的运行模式，采用多目标优化的模型预测控制策略，分别建立离散化模型和预测模型，预测控制变量在预定时间段内变化情况，通过最小化代价函数确定最优开关状态，驱动相应的功率开关管导通和关断。本发明控制混合多电平逆变器不同功率单元的开关器件分别工作于低频和高频开关模式，降低逆变器的开关损耗并同时实现开关频率、飞跨电容电压平衡和输出电流谐波的综合优化，从而满足高铁永磁牵引系统全速域、各种运行工况下的控制要求。

技术领域

本发明属于永磁牵引电机控制技术领域，具体涉及一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法。

背景技术

牵引系统是高速列车的“心脏”，其性能决定着列车的启动、制动及最高速度。绿色高效是轨道交通牵引系统发展的永恒目标，相比于异步电机牵引系统，永磁同步电机牵引系统由于损耗低、效率高、启动特性好、加速性能强及噪声低等显著优势，成为下一代牵引系统的发展方向，正成为全球轨道交通车辆技术创新的焦点。永磁牵引系统主要由牵引变压器、牵引变流器(整流器、逆变器和中间直流回路)、永磁同步电机和牵引传动控制系统组成。牵引逆变器作为直接驱动永磁同步电机运转的装置，是牵引系统的核心构成部分，高功率密度、高效率、高性能及高可靠性始终是其技术发展和革新的核心要求。受制于牵引逆变器中功率器件的开关损耗以及散热能力，开关频率通常被限制在1kHz以内，此时牵引逆变器的输出电压和电流波形含有较多的谐波，使得电机产生附加损耗和温升，同时也会造成电机的输出转矩脉动，影响电机的稳定控制，甚至危及牵引系统的正常运行，进而影响行车安全。因此，低开关频率下牵引系统控制性能的提升是进一步提高列车运行性能的关键技术之一。

目前，在国内外牵引传动应用领域，两电平逆变器拓扑依然占据了很大比例，如庞巴迪公司的ReginaC2008型，西门子公司的ICE3型，国产的CRH1A动车组。为了提高牵引系统在低开关频率下的输出性能，一些动车组采用三电平逆变器，典型代表为我国引进的CRH2型动车组。相比于两电平逆变器，三电平逆变器避免了功率器件的直接串联和并联，在承受高压的同时降低了功率器件的电压应力，提高了牵引系统输出电能质量和电磁兼容性能。上世纪九十年代，D.M.Manjrekar和T.A.Lipo等人提出了混合多电平的概念。与传统的多电平拓扑相比，混合多电平逆变器使用更少的功率器件，输出电压电平数与冗余资源更多，在结构和成本上更具优势，并且具有控制灵活、电磁兼容性好及容错能力强等优点，较适用于中压大功率的能量变换领域，如高铁永磁同步电机牵引系统。

对于传统的多电平逆变器拓扑，其基本PWM调制策略已日趋成熟。由于混合多电平变流器的不对称结构，基本多电平调制策略已无法满足其工作要求，需要研究新型的控制策略，以获得良好的输出性能和较小的功率损耗。模型预测控制(Model predictivecontrol,MPC)是上世纪70年代提出的一门先进控制技术并应用于工业过程控制领域。从1980年开始，MPC 技术被引入到电力电子工业应用中，由于当时缺乏快速处理器，MPC仅适用于低开关频率且动态过程较慢的过程控制领域。进入21世纪，随着高性能数字处理器DSP和现场可编程门阵列FPGA等的出现，一系列针对电力电子系统特点的MPC算法相继被提出。2007年智利学者J.Rodriguez发表了基于有限控制集MPC(Finite control set MPC,FCS-MPC)方法的相关研究成果，为其在功率变流器中的应用奠定了基础。MPC是一种基于数学模型的智能控制策略，通过构建代价函数来实现多个控制目标，可以满足更高的控制灵活性，并同时对多个目标参数(如开关频率，开关损耗，功率控制、电机转矩纹波等)实现最优化。

发明内容

针对现有技术中高速列车永磁牵引系统逆变器的共性难题，本发明提供了一种基于混合多电平逆变器的永磁牵引电机控制方法，以解决现有牵引逆变器开关频率低，传输效率及输出电能质量难以进一步提升等问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：