間接矩陣變換器是一種直接型交流-交流變換器，其拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)雙PWM交-直-交變換器相似，但無中間儲能元件，具有輸入/輸出電流正弦、輸入功率因數(shù)任意可調(diào)、能量雙向流動、功率密度高等特點，非常適用于驅(qū)動交流電機，并應用在軍事、航空航天、交通和其他工業(yè)領(lǐng)域。

模型預測控制（Model Predictive Control, MPC）是一種典型的預測控制方法，具有控制思想簡單、動態(tài)性能優(yōu)良等優(yōu)點，且易于實現(xiàn)多個非線性約束下的多目標優(yōu)化，近年來逐漸應用于各類電力電子變換器及電機傳動系統(tǒng)，包括間接矩陣變換器。

• 文獻[6]針對間接矩陣變換器-異步電機調(diào)速系統(tǒng)提出了模型預測轉(zhuǎn)矩控制和磁鏈控制方法，較好地實現(xiàn)了對轉(zhuǎn)矩和磁鏈跟蹤控制，但是該方法會在輸入濾波器中產(chǎn)生諧振，影響系統(tǒng)性能。
• 文獻[7]針對間接矩陣變換器-異步電機調(diào)速系統(tǒng)利用模型預測電流控制方法和有源阻尼方法相結(jié)合，可以顯著抑制濾波器諧振產(chǎn)生的諧波。
• 文獻[8]提出了雙電流控制策略，可以消除控制器中的權(quán)重系數(shù)，且網(wǎng)側(cè)性能優(yōu)良，但該方法只適用于阻感負載。

由于目前采用的模型預測控制策略均基于有限狀態(tài)集，即有限個開關(guān)狀態(tài)，且采用數(shù)字控制系統(tǒng)控制頻率受限，使得每個采樣周期內(nèi)的變換器輸出電壓矢量有限且幅值非連續(xù)可調(diào)，因此在電機中低速區(qū)域運行時，輸入輸出不匹配，有限個輸出電壓矢量均與目標參考差異較大，將會使得輸出電流波形明顯畸變，并進而嚴重影響網(wǎng)側(cè)電流波形質(zhì)量。

本文提出了一種優(yōu)化模型預測控制方法。在矩陣變換器的逆變級電路中插入零矢量開關(guān)狀態(tài)，即在每個采樣周期中均采用雙開關(guān)狀態(tài)組合，分別對應電壓有效矢量和零矢量，在此基礎(chǔ)上重新建立預測模型和品質(zhì)優(yōu)化函數(shù)，求取最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)組合及其各自的占空比大小，從而降低網(wǎng)側(cè)和輸出電流諧波。同時利用插入的零矢量開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)整流級電路雙向開關(guān)的零電流換相。

圖10 間接矩陣變換器-異步電機調(diào)速系統(tǒng)實驗平臺

總結(jié)

本文針對IMC-IM系統(tǒng)提出了一種優(yōu)化模型預測控制方法，仿真和實驗結(jié)果表明：

• 1）采用該方法實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流波形正弦和網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1。
• 2）采用該方法可實現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。
• 3）所提方法可實現(xiàn)零電流換相，換相過程簡單安全可靠。
• 4）與傳統(tǒng)的MPC方法相比，該方法可改善矩陣變換器網(wǎng)側(cè)電流和輸出電流波形質(zhì)量，且在中低速運行時，效果更顯著。