学术简报︱间接矩阵变换器-异步电机调速系统的优化模型预测控制
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北方工业大学北京市变频技术工程技术研究中心的研究人员梅杨、王梁、黄伟超，在2019年第14期《电工技术学报》上撰文指出，在间接矩阵变换器-异步电机调速系统采用模型预测控制（MPC）时，由于开关状态有限，且控制频率固定，使得每个采样周期内的变换器输出电压矢量幅值受限，因此在电机中低速区域运行时，有限个输出电压矢量均与目标参考差异较大，从而导致网侧电流和电机定子电流波形有大量谐波，进而引起电机转矩和磁链波动。
针对这一问题，提出一种优化模型预测控制方法，以网侧电流和电机磁链矢量为控制目标，在矩阵变换器的逆变级电路中插入变占空比的零矢量开关状态，通过理论分析和推导开关状态作用时间约束及品质优化函数的单调性，求取最优占空比及相应的开关状态组合，从而提高矩阵变换器在不同工况下的输入输出性能。同时，零矢量的插入可实现整流级电路中双向开关的零电流换相，以保证矩阵变换器的安全可靠运行。
仿真和实验结果表明，该方法可实现矩阵变换器良好的网侧电能质量和电机优良的动静态性能，且比起传统的模型预测控制方法，该方法的网侧电流和电机电流谐波明显降低，尤其是在电机中低速运行工况下效果更好。
间接矩阵变换器是一种直接型交流-交流变换器，其拓扑结构与传统双PWM交-直-交变换器相似，但无中间储能元件，具有输入/输出电流正弦、输入功率因数任意可调、能量双向流动、功率密度高等特点，非常适用于驱动交流电机，并应用在军事、航空航天、交通和其他工业领域。
模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）是一种典型的预测控制方法，具有控制思想简单、动态性能优良等优点，且易于实现多个非线性约束下的多目标优化，近年来逐渐应用于各类电力电子变换器及电机传动系统，包括间接矩阵变换器。
文献[6]针对间接矩阵变换器-异步电机调速系统提出了模型预测转矩控制和磁链控制方法，较好地实现了对转矩和磁链跟踪控制，但是该方法会在输入滤波器中产生谐振，影响系统性能。
文献[7]针对间接矩阵变换器-异步电机调速系统利用模型预测电流控制方法和有源阻尼方法相结合，可以显著抑制滤波器谐振产生的谐波。
文献[8]提出了双电流控制策略，可以消除控制器中的权重系数，且网侧性能优良，但该方法只适用于阻感负载。
由于目前采用的模型预测控制策略均基于有限状态集，即有限个开关状态，且采用数字控制系统控制频率受限，使得每个采样周期内的变换器输出电压矢量有限且幅值非连续可调，因此在电机中低速区域运行时，输入输出不匹配，有限个输出电压矢量均与目标参考差异较大，将会使得输出电流波形明显畸变，并进而严重影响网侧电流波形质量。
本文提出了一种优化模型预测控制方法。在矩阵变换器的逆变级电路中插入零矢量开关状态，即在每个采样周期中均采用双开关状态组合，分别对应电压有效矢量和零矢量，在此基础上重新建立预测模型和品质优化函数，求取最优的开关状态组合及其各自的占空比大小，从而降低网侧和输出电流谐波。同时利用插入的零矢量开关状态实现整流级电路双向开关的零电流换相。
图10 间接矩阵变换器-异步电机调速系统实验平台
本文针对IMC-IM系统提出了一种优化模型预测控制方法，仿真和实验结果表明：
1）采用该方法实现了网侧电流波形正弦和网侧功率因数接近于1。
2）采用该方法可实现调速系统良好的稳态和动态性能。
3）所提方法可实现零电流换相，换相过程简单安全可靠。
4）与传统的MPC方法相比，该方法可改善矩阵变换器网侧电流和输出电流波形质量，且在中低速运行时，效果更显著。