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储能系统技术 储能系统 模型预测控制MPC ★ 5.0

基于三相四桥臂逆变器的开关磁阻电机有限控制集模型预测转矩控制

Finite Control Set Model Predictive Torque Control of Switched Reluctance Motor Based on Three-Phase Four-Leg Inverter

作者 Dexu Lv · Wen Ding · Yangfan Wang · Kai Wang · Shuo Chen · Jun Cai
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2025年4月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统 模型预测控制MPC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 有限控制集模型预测转矩控制 三相四桥臂逆变器 开关磁阻电机 转矩脉动抑制 电流骤降
语言:

中文摘要

本文提出一种基于三相四桥臂逆变器的有限控制集模型预测转矩控制(FCS MPTC)方案,以抑制转矩脉动并减少换相区域初始阶段的电流急剧下降。首先,分析了三相四桥臂拓扑的工作模式,并根据开关磁阻电机(SRM)在该拓扑上的运行情况进行扇区划分。然后,利用勒-于伊(Le - Huy)模型和候选电压矢量推导了单相导通区域的电流和转矩预测模型。所提出的FCS MPTC方案利用换相阶段两相电流相等的特性,解决了换相区域相电压预测困难的问题,实现了全周期FCS MPTC。此外,为在确保抑制转矩脉动的同时减轻计算负担,基于潜在运行状态对开关状态进行了优化。最后,在一台750 W的三相12/8极开关磁阻电机上进行了实验,验证了所提方案的有效性。结果表明,与现有方案相比,所提出的FCS MPTC方案提高了转矩脉动抑制效果。

English Abstract

This article proposes a finite control set model predictive torque control (FCS MPTC) scheme based on three-phase four-leg inverter to suppress torque ripple and reduce the sharp current drop at the initial stages of the commutation regions. First, the operating modes of three-phase four-leg topology are analyzed, and the sectors are divided according to the operation of switched reluctance motor (SRM) on this topology. Then, predictive models for the current and torque in the single-phase conduction regions are derived using Le-Huy model and candidate voltage vectors. The proposed FCS MPTC scheme addresses the difficulty in predicting phase voltage during commutation regions by using the characteristic of equal current of two phases during these stages, achieving full-cycle FCS MPTC. Furthermore, to reduce computational burden while ensuring torque ripple suppression, the switching states are optimized based on the potential operating states. Eventually, experiments are carried out on a three-phase 750 W 12/8 SRM to verify the effectiveness of the proposed scheme. The results demonstrate that the proposed FCS MPTC scheme improves the effect of torque ripple suppression compared to existing schemes.
S

SunView 深度解读

从阳光电源业务视角来看,这项基于三相四桥臂逆变器的开关磁阻电机有限集模型预测转矩控制技术具有重要的战略参考价值。该技术通过优化控制策略实现转矩脉动抑制和换相区电流控制,其核心思路与我司在光伏逆变器和储能变流器领域追求的高效率、低谐波控制目标高度契合。

从技术迁移角度分析,该论文提出的预测控制算法和四桥臂拓扑优化方案可为我司储能系统中的电机驱动单元提供创新思路。特别是在光储充一体化解决方案中,开关磁阻电机因其结构简单、成本低、可靠性高的特点,在新能源汽车充电桩和储能系统的辅助驱动装置中具有应用潜力。论文中的全周期预测控制方法能够有效降低转矩脉动,这对提升系统运行平稳性和延长设备寿命具有实际意义。

从技术成熟度评估,该方案已完成750W样机验证,但距离工业化应用仍需解决功率等级扩展、长期可靠性验证等问题。对阳光电源而言,技术机遇在于可将模型预测控制理念融入现有逆变器产品的算法库,提升多场景适应能力。同时,四桥臂拓扑的研究经验可支撑我司在不平衡负载、微电网等复杂应用场景下的技术创新。

潜在挑战包括算法计算负荷对控制器硬件的要求、不同功率等级下参数自适应问题,以及与现有产品体系的兼容性。建议将此技术纳入前瞻性研究范畴,重点关注其在分布式储能和智慧能源管理系统中的应用可行性,为公司在电机驱动控制领域建立技术储备。