【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电力传动及石油开采等变频驱动领域，具体涉及飞跨电容模块化多电平变频器低频运行模型预测控制技术。
技术介绍
1、随着工业化进程加快和人民生活水平的显著提高，电能质量逐渐成为全社会关注的热点问题，人们对电能的需求量也越来越大，特别是高品质电能。当前我国处于工业化加快的重要阶段，能源需求呈上升趋势，环境污染和资源紧张是工业化进程中不可忽视的一环，提高耗能设备的能源利用率是能源革命中的重要环节。
2、从能源消耗占比来看，电机作为工业生产环节中的重要设备，消耗着绝大部分的能源，占70％左右。近年来，随着电力电子技术的不断革新，电机调速技术飞速发展，变频调速也应用于电机控制领域，为减少能源消耗、改善环境做出了巨大贡献。
3、对于石油资源开发的主要装置就是石油钻机，它是由控制系统、工作系统、传动系统、动力系统和辅助系统等若干个系统以及配套设备组成。其中，动力系统为石油钻机的运行提供动力，动力驱动设备应用较多的是机械驱动。由于电力电子技术的进入，在石油钻机驱动模式方面出现了电驱动钻机，电驱动钻机极大提高了传动效率，能适应不同负载环境，应用时便于装配转移，发生事故时有较好的机具保护功能，有利于实现对位置、速度、转矩及其他性能方面的控制，能够更好的适应钻机向高度自动化控制方向发展，具有传统机械驱动钻机无可比拟的性能优势。动力驱动设备是石油钻机机组中极为重要的一环，为石油钻机的运行提供动力，服务于绞车、转盘和钻井泵三大工作机组。
4、转盘是旋转钻机的关键设备，其作用是将动力通过方瓦传给钻头并驱动其旋转
5、对永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,pmsm)作为石油钻井驱动而言，钻井工艺对于电机具有以下几方面要求：第一，要求转盘和绞车驱动电机的转速在规定时间内达到并稳定在期望转速，出现负载干扰时仍能保持转速不变。第二，钻井泵驱动电机的转速需要按照规定时间达到泵冲，并能够在期望的泵冲上稳定下来，当泥浆管路的压力发生变化时，要保持泵冲不变。
6、当传统模块化多电平换(modular multilevel converter，mmc)驱动石油钻井中电机低频运行时，为了抑制子模块电容电压波动和共模电压，首先分析得到上、下桥臂功率差的数学表达式，提出基于调制的高频注入法，注入波形包括正弦波、正弦波加三次谐波、方波等，但是其又会过调制，并引起mmc型变频器桥臂出现环流、桥臂电流增大的问题，施加在电机绕组上，可能导致绕组绝缘损坏，极易引起短路或接地等故障，使电机轴承出现卡住、断裂等故障。故研究模型预测控制实现石油钻井动力驱动系统中永磁同步电机安全稳定运行具有重要意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是所需要的控制目标全部由代价函数代替，消除了多个pi控制器级联的参数设计问题及高频注入控制最优注入问题。并最终实现对永磁同步电机在低频运行工况下安全稳定的运行保证。
2、本专利技术是飞跨电容模块化多电平变频器低频运行模型预测控制方法，建立飞跨电容型模块化多电平驱动永磁同步电机的系统模型，包括如下步骤：
3、步骤(1)在忽略磁场饱和效应等因素的影响下，采用表贴式三相永磁同步电机在两相旋转dq坐标系下，表贴式三相永磁同步电机的定子电压方程可以表示为：
4、
5、式(1)中，ud、uq为定子相电压dq轴分量；ld、lq分别为dq轴电感；id、iq为定子相电流dq轴分量；rs为定子电阻；ωe为电角速度；ψf为永磁体磁链；
6、步骤(2)：在忽略线路阻抗，根据基尔霍夫电压定律kvl，可得fc-mmc变频器上下桥臂及交流侧的环路方程可列写为：
7、
8、式(2)中，udc为直流侧母线电压；l为半桥臂电感；ij,p1、ij,p2、ij,n1、ij,n2分别为j相上、下半桥臂电流；uj,p1、uj,p2、uj,n1、uj,n2分别为j相上、下半桥臂子模块电容电压；uj为交流侧输出定子电压，其中j＝a,b,c；
9、步骤(3)：将步骤(2)中两式分别做和、做差后，可得fc-mmc变频器交直流侧动态特性的数学表达式：
10、
11、式(3)中，ij为交流侧输出定子电流，其中j＝a,b,c；
12、步骤(4)：结合步骤(3)与三相静止abc坐标系转换为两相旋转dq坐标系的变换矩阵可得fc-mmc变频器在dq坐标系下的数学模型为：
13、
14、式(4)中，cabc/dq为三相静止abc坐标系转换为两相旋转dq坐标系的变换矩阵；l为半桥臂电感；uj,v1、uj,v2分别为abc三相四个子桥臂电压，其中v＝n,p，p表示上桥臂，n表示下桥臂，j＝a,b,c；
15、步骤(5)：将式(4)带入永磁同步电机的定子电压方程，可得到fc-mmc驱动永磁同步电机的dq轴电流状态方程：
16、
17、式中(5)，leq表示等效电感，其值为leq＝ld+l＝lq+l；
18、本专利技术具有如下有益效果：
19、本专利技术提出一种抑制低频时fc-mmc子模块电容电压波动并且能够降低共模电压输出的新的方法，通过采用fc-mmc型变频器拓扑结构，利用分层对飞跨式模块化多电平进行模型预测控制，首先推导得到基于fc-mmc变频器驱动永磁同步电机的dq轴电流输出预测模型，增加附加项共模电压预测模型代替传统的高频注入法；并结合桥臂间sm电容电压差预测模型以及相sm电容电压和预测模型抑制子模块电容电压低频脉动，并在一定程度降低共模电压的输出，确保永磁同步电机的长期稳定运行。
本文档来自技高网...【技术保护点】
1.飞跨电容模块化多电平变频器低频运行模型预测控制方法，其特征在于，其步骤为：
【技术特征摘要】
1.飞跨电容模块化多电平变频器低频运行模...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨维满，杨博，胡彦奇，王兴贵，魏祥林，谢兴峰，郭永吉，王琢玲，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。