矿山高压三电平ANPC变频器预测控制研究.pdf

第 4 2卷 第 1 O 期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i n e Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 1 0 Oc t ．2 0 1 6 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 O 1 6 1 0 0 0 8 5 0 6 DO I 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 2 0 於静 ， 莫修权 ， 徐楠． 矿山高压三电平 ANP C变频器预测控制研究口] ． 工矿 la动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 8 5 9 0 ． 矿山高压三电平 A NP C变频器预测控制研究 於静 ， 莫修 权 ， 徐 楠 中国矿业大学 信息与 电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘 要 提 出了一种基 于模 型 预测 控制 的矿 山高压 三 电平 ANP C变频 器预 测控 制 方 案 。该 方案 采 用 电流 预测控制 实现三电平有源中点钳位型高动态性能及单位功率因数控制 ， 根据开关器件损耗选取与电压 矢量 唯一对应的开关状 态。针对控制过程计算量大的问题 ， 提 出对 系统进行延 时补偿控制。仿真和实验结果表 明， 采用所提控制方案的三 电平有源中点钳位型整流器动态响应快， 具有良好 的静 、 动 态特性。 关 键 词 变频 器预 测控 制 ； 有 源 中点钳 位 型 ；模 型预测 控制 ；延 时补 偿 中图分类号 T D 6 1 1 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 9 - 3 0 0 9 5 4 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 0 9 5 4 ． 0 0 2 ． h t ml Re s e a r c h o n p r e di c t i v e c o n t r o l f o r mi ne hi g h p r e s s ur e t hr e e l e v e l ANPC i nv e r t e r YU J i n g ， M O Xi u q u a n ，XU Na n S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 ，Ch i n a Ab s t r a c t A pr e d i c t i ve c o n t r ol p r og r a m f o r m i n e h i gh p r e s s ur e t hr e e - l e v e l ANPC i n v e r t e r b a s e d on 收稿 日期 2 0 1 6 0 5 0 3 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 8 2 3 ； 责任编辑 胡娴 。 作者简 介 於 静 1 9 9 2 一 ， 女 ， 江苏南通人， 硕士研究 生 ， 研究方向为变换器 、 异步机模 型预测 控制技术 ， E - ma i l y u y u 1 9 9 2 0 4 1 6 3 ． t o m。 形势的相对变化时会按照各指标寻求最优化排序。 参考 文 献 4 结语 从瓦斯抽采和井下通风 2种主要的瓦斯排放形 式入手 ， 结合 回采工作面 3 种主要 的瓦斯来源 ， 提出 了 6种多元化的工作面瓦斯安全形势判别指标 。针 对多元化判断指标 ， 提出 了利用 B P神经 网络来 动 态判别回采工作面瓦斯安全形势的方法。以贵州六 盘水 某 矿 1 1 0 1 0 2回采 工 作 面 2 0 1 6年 2月 1日一 1 0日连续 1 0 d的指标值 为实验数据 ， 依 托 Ma t l a b 平台， 对基于 B P神经网络的 回采工作面瓦斯 安全 动态判别方法进 行了验证 。结果 表明 ， 基 于 B P神 经 网络算法判别工作面瓦斯安全形势的相对变化时 会按照各指标寻求最优化排序 ， 在 给定判定指标 的 基础上 ， 该方法对瓦斯安全形势 的相对变化判定准 确 ， 但给出的绝对判定结果虽有参考意义 ， 却不能完 全采信 ， 应该结合各指标值来具体判断 。 屈世 甲．矿井通风基础数据 获取及 网络 图优化方法 的 研究 [ D ] ． 西安 西安科技大学 ， 2 0 1 0 ． 屈世 甲．矿井掘进巷 道生产工序 自动识 别方法 的探索 [ J ] ．煤矿安全 ， 2 0 1 5 ，4 6 4 2 0 6 2 0 9 ． 张俊 敏．煤矿安全评价 的几个 问题 探讨 [ J ] ．矿业安全 与环保 ， 2 0 0 3 ，3 0 5 3 0 3 1 ． 杨 涛．基 于 B P神 经 网络法 的煤矿 安 全评 价 系统 研 究 以马 兰 煤 矿 为 例 [ D ] ． 太 原 太 原 理 工 大 学 ， 2 01 2． 屈世 甲．矿 井工 作面突出危险性 与瓦斯涌 出特 征 回归 分析的研究[ J ] ．工矿 自动化 ，2 0 1 5 ， 4 1 5 7 4 7 7 ． 袁战伟 ， 张云生 ， 王剑平 ， 等． 基于 B P神经 网络 的煤 矿 瓦斯数据辨 识 [ J ] ． 云南 大学 学报 自然科学 版 ， 2 0 0 9 增 刊 2 2 2 9 2 3 1 ． 李柏年 ， 吴礼斌． MA TL AB数 据分析 方法 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 1 2 ． 邓宝 ，宋瑞．基于 B P神 经 网络的安 全评 价方法研 究 口] ．安全与环境工程 ， 2 0 0 5 ，1 2 2 6 1 6 4 ． ] ] ] ] ] ] ] ] 口 ll 口 8 6 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 pr e di c t i v e mo de l c on t r o l wa s pr o p os e d．The pr o g r a m us e s c u r r e nt pr e d i c t i v e c o n t r ol t o a c h i e v e t hr e e l e v e l ANP C h i g h d y n a mi c p e r f o r ma n c e a n d u n i t y p o we r f a c t o r c o n t r o l ，s e l e c t s s wi t c h i n g s t a t e c o r r e s p o n d i n g t o v o l t a g e v e c t o r a c c o r d i n g t o s wi t c h i n g d e v i c e l o s s ．Fo r p r o b l e m o f i n t e n s i v e c a l c u l a t e d a mo u n t ， d e l a y c o mp e n s a t i o n c o n t r o l wa s a d o p t e d．Th e s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h r e e l e v e l ANP C r e c t i f i e r a d o p t i n g t h e p r o p o s e d c o n t r o l s c h e me h a s f a s t d y n a mi c r e s p o n s e ， g o o d s t a t i c a n d d y n a mi c c ha r a c t e r i s t i c s ． Ke y wo r ds i n v e r t e r pr e d i c t i v e c on t r ol ；ANPC ；mo de l p r e d i c t i v e c o nt r o l ；d e l a y c o m p e ns a t i o n 0 引言 随着现代工业发展对电能需求的日益增长与非 可再 生能 源 的 日益 枯竭 ， 需要 对 能 源进 行 更 为 有效 的 利用 。常规 不控整 流 电动 机驱 动器 不能实 现能量 回馈 ， 也不能实现电动机的四象限运行 ， 而且会向电 网 注入大 量谐波 和无 功功率 ， 造成严 重 的 电网污染 。 为实 现矿 山节能 减 排 ， 变频 调 速 技术 被 广 泛 应用 在 电动机 调速领 域 。6 ／ 1 0 k V矿 用变频 器 是煤 矿 生产 中最重要 的调速控制设备， 其变频效果直接关 系到 矿 山机械的运行效率。 电压 型 P WM 变 频 器 因能 够 实 现 能 量 双 向 流 动 、 功率因数高、 谐波电流低等优点得到越来越多的 应用 。三 电平 中点钳 位型 Ne u t r a l P o i n t C l a mp e d ， NP C 整流器因输出电压低 、 容量小等优越性 能， 在 中高压大功率变频调速领域得 到广泛应用口 ] 。但 N P C三电平整流器存在功率器件损耗 不平衡 的问 题 ， 很 大程度 上 限制 了整 流 器 容 量 和功 率 器 件开 关 频率 的提升 ] 。针对 N P C三 电平 整流器 这一 缺点 ， B R UC KNE R T l 3 提 出 三 电 平 有 源 中 点 钳 位 型 Ac t i v e Ne u t r a l P o i n t C l a mp e d ， ANP C 拓 扑 结构 ， 采用 开关 功率 器件 取 代 三 电平 NP C拓 扑 中 的钳 位 二极管， 解决了损耗不平衡问题 ， 提高了变换器功率 处理能力和可靠性。在相同功率器件下 ， A NP C拓 扑结构的功率处 理能力 比 NP C高 2 0 0A[ 5 ] 。P WM 整流器控制策略多采用双闭环 P I 控制， 但在控制过 程中存在稳定性和快速性相互制约的问题 。目前关 于 A NP C的研究主要集 中于通过改变调制方式来 调节损耗平衡 。在常规 P I 控制下， 参考文献[ 6 ] 提 出在总损耗不 变 的情况 下 ， 根据调 制 比确 定 2种 P WM 方式 的作 用 时 问 ， 实 现 各 功 率 器 件 之 间 的 损 耗均匀分布。参考文献[ 7 ] 提出了一种结温平衡控 制方法 ， 通过计算 2种 P WM 方式下功率器件的结 温来选择合适的 P WM 方式， 该方法能够平衡功率 器件结 温， 但在 线 计算 量大 ， 不 利 于数 字控 制 的 实现 。 模 型预 测控 制 作 为一 种 基于 模 型 的控制 策 略 ， 具有控制方法易理解、 易使用于非线性模型、 控制器 易实现等优势， 已经被广泛应用在 电源变换器设备 中 ] 。参考文献[ 1 0 ] 对电流环采用预测控制方法 取代 P I 控制 ， 有效地提高了电流响应速度及系统鲁 棒性。参考文献[ 1 1 ] 对系统进行延时补偿 ， 解决了 预测控制计算量大导致的延时问题。参考文献[ 1 2 3 提出电压预测控制方法， 解决了电流预测控制计算 量 大 的问题 。 本文提出了一种基于模型预测控制的矿山高压 三电平 ANP C变频器预测控制方案。该控制方案 将模型预测控制理论应用到电流环控制设计 中， 使 得三电平 ANP C变频器可 以实现高性能 的动静态 特性 、 零 电平 最小 损耗 及单位 功率 因数控制 ， 便于 数 字化实现。另外 ， 对系统进行了延时补偿 ， 提高了变 频器 控制性 能 。 1 A N P C拓扑 结构 与器件损 耗分 析 1 ． 1 ANPC拓 扑结构 三 电平 AN P C 主 电 路 拓 扑 结 构 如 图 1所 示 。 其中 T 1 一T T b 1 一T b ， T 1 一T 分别表示 a ， b ， C 相功率器件； D 一D D D ， D D 分别表示 a ， b ， C 相反并联 二极 管 。每 相桥 臂 有 6个 开关 器 件 和反 并联 二极 管 ， 可 以输 出 P ， O， N 三种 电平 状 态 。 ANP C采用开关器件取代 NP C拓扑 中的钳位二极 管 ， 产 生 O U1 ， O U2 ， O L1 ， OL 2四种 零 开关 输 出 状 态 。a相器件 的开关 状态 S 一S 见表 1 ， 其 中 1和 0分别表示对应器件导通和关断。 1 ． 2 损 耗计 算 根据功率器件的开关暂态过程 ， 建立器件损耗 模型[ 】 。由于功率器件导通时存 在饱 和压 降和导 通 电阻 ， 所 以会 产生 导通损 耗 P P⋯ 一 v I r I 1 式中 和 r分别 为器件压降和导通电阻； 为流过 功率器件的瞬时电流值 。 功率器件在开通或关断过程中会产生开通或关 2 0 1 6年第 1 0期 於静等 矿 山高压三电平 AN P C变频器预测控制研究 8 7 。 兰 55 T 丰。 2 ； 一一一 瀚 蔫嘲 ⋯ i ⋯ ⋯ ⋯ ∥ f 5 ms ／ 格 a Va 突变直流侧 电压波形 谐波次数 b 电流畸变率 t ， 5 m s ／ 格、 c 网侧电流 、 电压波形 q ／ ⋯ 。 ’ ’ j t ／ 2 ．5 s ／ 格 d 电流 i d ， i 波形 图 7 实验 波形 [1 ] AB U R UB H，HO L T Z J ，R O DR I G UE Z J ， e t a 1 ． M e di um- v o l t a g e mu l t i l e v e l c on ve r t e r s s t a t e of t he ar t ， c h a l l e n g e s ， a n d r e q u i r e me n t s i n i n d u s t r i a l a p p l i c a t i o n s [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 1 0， 5 7 8 2 5 8 1 2 5 9 6 ． [ 2] 景巍， 谭国俊， 叶宗彬． 大功率三电平变频器损耗计算 及散热 分 析 I- J ] ． 电 工技 术 学 报 ， 2 0 1 1 ， 2 6 2 1 3 4 1 4O ． [3 ] S AY A GO J A， B E RN E T S ， B R UC KN E R T． Co mp a r i s o n o f me d i u m v o l t a g e I GB T - b a s e d 3 L。 AN P C V S C s [ C ff ／ I E E E An n u a l P o we r E l e c t r o n i c s [ 4] [ 5] [6 ] [7 ] [8] [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] Sp e c i a l i s t s Co nf e r e nc e，20 08 ． BRt l CKNER T ，BERNET S， G诅 LDNER H ． The a c t i v e NPC c o n v e r t e r a n d i t s l o s s b a l a n c i n g c o n t r o l [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s ， 2 0 0 5， 5 2 3 8 5 5 8 6 8 ． R0DRI GUE Z J ， B ERNE T S， S TEI MER P K， e t a 1 ． A S u r v e y o n Ne u t r a l P o i n t - C l a m p e d I n v e r t e r s [ J ]． I EEE Tr a ns a c t i on s o n I n du s t r i a l El e c t r on i c s．2 01 0， 5 7 7 2 2 1 9 2 2 3 0 ． 潘 延 林． A NP C三 电平有 源 电力 滤 波器 研 究 [ D ] ． 哈尔滨 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 5 ． 谭国俊 ， 景巍． 有源钳位三 电平变频器 及其结 温平衡 控制I- J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 2 2 9 7 1 0 2 ． 周克 敏 ， 多伊 尔 ， 格洛 弗 ， 等． 鲁棒 与最 优控 制 [ M] ． 北京 国防工业出版社 ， 2 0 0 6 ． K0UR0 S， CORTES P，VARGAS R， e t a 1 ． M o de l p r e d i c t i ve c on t r o l a s i mpl e a n d p owe r f u l me t ho d t o c o n t r o l p o w e r c o n v e r t e r s I- J ] ．I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s 2 0 0 9 ， 5 6 6 l 8 2 6 1 8 3 8 ． 马宏伟 ， 李 永东 ， 郑 泽东 ， 等． 电流环模 型预测控 制在 P WM 整 流器 中 的应 用 [ J ] ． 电工 技 术 学 报 ， 2 0 1 4 ， 2 9 8 1 3 6 1 4 1 ． 罗德荣 ， 姬 小豪 ， 黄晟 ， 等． 电压 型 P WM 整流器模 型 预测直 接 功 率 控 制 [ J ] ． 电 网技 术 ， 2 0 1 4 ， 3 8 1 1 31 0 9 3 11 4 ． 王萌 ， 施艳艳 ， 沈 明辉 ， 等． 三相 电压 型整 流器模型 电 压预测控制[ J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 1 5 ， 3 0 1 6 4 9 5 5 ． CASSI M ERE B，S UDHOFF S D，CASSI M ERE B， e t a 1 ．I GB T a n d PN j u n c t i o n d i o d e l o s s mo d e l i n g f o r s y s t e m s i mu l a t i o n s [C ] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n a l Con f e r e nc e on El e c t r i c M a c hi ne s a nd Dr i v e s， Sa n Ant o ni o，TX， 2 0 05． S ULTANA W R， S AH00 S K ， KARTHI KE YAN S P， e t a 1 ． C o mp a r a t i v e a n a l y s i s o f mo d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l a n d P WM c o n t r o l t e c h n i q u e s f o r VS I [ c] ／ ／ I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n C o n t r o l ， I n s t r u me n t a t i o n， Co mmu n i c a t i o n a n d Co mp u t a t i o n a l Te c h n o l o g i e s ， Ka n ya ku ma r i ， 2 01 4． LI K，W AN J ，G0NG C，e t a l | An i mp r o v e d p r e d i c t i v e c u r r e n t c o n t r o l l e d t h r e e p h a s e v o l t a g e P WM r e c t - f i e r [ c ] ／ ／ I E E E P E S I n n o v a t i v e S ma r t G r i d Te c h n o l o g i e s Ti a n j i n ，2 0 1 2 ． GENDRI N M ， GAUTHI E R J Y， LI N S HI X． An i mp r o v e d mo d e l p r e d i c t i v e c o n t r o l f o r o n l i n e P W M s e q u e n c e s e l e c t i o n a p p l i e d o n c o n v e r t e r[C] ／ ／ Co n f e r e n c e o f t h e I EE E I n d u s t r i a l El e c t r o n i c s S oc i e t y， Da l l a s， TX， 2 01 4 ． ＼ 捌鲻磐 一 瓣＼ 一 、 r 鞋＼ 。 一 、 一 睡＼ ＼