大功率变换器及工业传动模型预测控制
作 者： 托拜厄斯·盖尔（Tobias Geyer） 著，张永昌 宋文祥 徐伟 译
出版时间： 2019
内容简介
《大功率变换器及工业传动模型预测控制》（国际信息工程先进技术译丛）首先介绍了工业电力电子系统市场和相关技术的发展趋势，坐标变换、空间矢量、功率半导体器件等基础知识，以及矢量控制、直接转矩控制、载波调制和优化脉冲调制等经典控制和调制方法，为后续内容提供了合适的基础。《大功率变换器及工业传动模型预测控制》（国际信息工程先进技术译丛）的核心部分则介绍了适用于低开关频率大功率变换器和电机驱动领域的几种控制算法，解释了长预测范围预测控制的概念，介绍了基于滞环的模型预测转矩控制和基于脉冲调制的模型预测控制的控制方法，以及各种方法的优化。采用《大功率变换器及工业传动模型预测控制》（国际信息工程先进技术译丛）介绍的方法可以使大功率变换器系统在低开关频率下仍然具有优异的动态和稳态性能，从而能够提高大功率变换器的功率输出、降低电流畸变、减小滤波器体积、获得极快的动态响应并保证在安全工作区域限制内的可靠运行。《大功率变换器及工业传动模型预测控制》（国际信息工程先进技术译丛）适合电力电子与电力传动领域的研究生、教师、工程师和实践者阅读，尤其是对大功率变换器和工业传动的从业人员具有较大的参考价值。
缩略语中英文对照表
书中变量及符号等释义
第1篇 引言1
第1章 概述3
1.1 工业电力电子3
1.1.1 中压变速传动3
1.1.2 市场趋势4
1.1.3 技术趋势5
1.2 控制和调制策略5
1.2.1 要求5
1.2.2 最新策略6
1.2.3 挑战7
1.3 模型预测控制8
1.3.1 控制问题9
1.3.2 控制原理9
1.3.3 优点及挑战12
1.4 研究前景和动机13
1.5 主要成果14
1.6 本书概要15
1.7 预备知识17
参考文献18
第2章 工业电力电子21
2.1 预备知识21
2.1.1 三相系统21
2.1.2 标幺值系统23
2.1.3 静止坐标系24
2.1.4 旋转坐标系26
2.1.5 空间矢量29
2.2 感应电机30
2.2.1 电机模型的空间矢量表示30
2.2.2 电机模型的矩阵表示32
2.2.3 电机模型的标幺值表示33
2.2.4 电机模型的状态空间表示34
2.2.5 电机谐波模型36
2.3 功率半导体器件37
2.3.1 集成门极换流晶闸管37
2.3.2 功率二极管38
2.4 多电平电压源型逆变器38
2.4.1 中点钳位逆变器39
2.4.2 五电平有源中点钳位逆变器44
2.5 案例分析49
2.5.1 中点钳位逆变器驱动系统49
2.5.2 有缓冲约束的中点钳位逆变器驱动系统51
2.5.3 五电平有源中点钳位逆变器驱动系统51
2.5.4 并网中点钳位变换器系统52
参考文献54
第3章 经典控制与调制策略56
3.1 控制与调制策略的要求56
3.1.1 与电机相关的要求56
3.1.2 与电网相关的要求57
3.1.3 与变换器相关的要求59
3.1.4 总结60
3.2 控制与调制策略框图60
3.3 基于载波的脉冲宽度调制61
3.3.1 单相脉宽调制62
3.3.2 三相载波脉宽调制67
3.3.3 总结与特性72
3.4 优化脉冲调制74
3.4.1 脉冲模式与谐波分析75
3.4.2 三电平变换器的优化问题77
3.4.3 五电平变换器的优化问题81
3.4.4 总结与特性84
3.5 脉宽调制的性能权衡85
3.5.1 电流总谐波畸变与开关损耗85
3.5.2 转矩总谐波畸变与开关损耗86
3.6 感应电机驱动控制方法88
3.6.1 标量控制88
3.6.2 磁场定向控制89
3.6.3 直接转矩控制93
附录3.A 单相OPP的谐波分析99
附录3.B 数学优化101
3.B.1 一般优化问题101
3.B.2 混合整数优化问题102
3.B.3 凸优化问题103
参考文献104
第2篇 基于参考值跟踪的直接模型预测控制109
第4章 短步长预测控制111
4.1 单相阻感负载电路的预测电流控制111
4.1.1 控制问题112
4.1.2 电流轨迹预测112
4.1.3 优化问题113
4.1.4 控制算法113
4.1.5 性能评估114
4.1.6 多步长预测116
4.1.7 总结118
4.2 三相感应电机的预测电流控制118
4.2.1 案例研究118
4.2.2 控制问题119
4.2.3 控制器模型120
4.2.4 优化问题121
4.2.5 控制算法121
4.2.6 性能评估123
4.2.7 关于范数的选择126
4.2.8 延迟补偿128
4.3 三相异步电机的预测转矩控制132
4.3.1 案例研究133
4.3.2 控制问题133
4.3.3 控制器模型134
4.3.4 优化问题134
4.3.5 控制算法135
4.3.6 代价函数分析135
4.3.7 转矩与电流控制器的代价函数比较136
4.3.8 性能评估138
4.4 总结140
参考文献140
第5章 多步长预测控制142
5.1 预备知识142
5.1.1 案例研究142
5.1.2 控制器模型143
5.1.3 代价函数144
5.1.4 优化问题144
5.1.5 基于穷举搜索的控制算法145
5.2 整数二次规划描述146
5.2.1 优化问题的向量描述146
5.2.2 无约束最小化求解146
5.2.3 整数二次规划147
5.2.4 预测步长为1的直接模型预测控制148
5.3 一种求解优化问题的有效方法149
5.3.1 准备知识和关键特性149
5.3.2 改进的球形解码算法149
5.3.3 一个预测范围为1的例子150
5.3.4 一个预测范围为2的例子152
5.4 计算负担153
5.4.1 离线计算154
5.4.2 在线预处理154
5.4.3 球形解码154
附录5.A 状态空间模型155
附录5.B 向量形式的代价函数推导155
参考文献157
第6章 多步长预测控制性能评估158
6.1 中点钳位逆变器驱动系统性能评估158
6.1.1 性能评估框架158
6.1.2 开关频率为250Hz时的性能对比160
6.1.3 闭环成本163
6.1.4 相对电流总谐波畸变率164
6.1.5 暂态运行168
6.2 基于直接求整的次优化模型预测控制169
6.3 带LC滤波器的中点钳位逆变器驱动系统性能评估171
6.3.1 案例研究171
6.3.2 控制器模型173
6.3.3 优化问题173
6.3.4 稳态运行174
6.3.5 暂态运行177
6.4 总结与讨论178
6.4.1 稳态性能178
6.4.2 暂态性能179
6.4.3 代价函数179
6.4.4 控制目标179
6.4.5 计算复杂度180
附录6.A 状态空间模型180
附录6.B 输出参考向量计算180
6.B.1 第一步:定子频率180
6.B.2 第二步:逆变器电压181
6.B.3 第三步:输出参考向量182
参考文献182
第3篇 有边界的直接模型预测控制183
第7章 模型预测直接转矩控制185
7.1 引言185
7.2 预备知识186
7.2.1 案例分析186
7.2.2 控制问题188
7.2.3 控制器模型188
7.2.4 开关动作190
7.3 控制问题的描述190
7.3.1 简单优化问题191
7.3.2 约束条件191
7.3.3 代价函数192
7.4 模型预测直接转矩控制193
7.4.1 定义193
7.4.2 优化问题的简化194
7.4.3 开关时域的概念194
7.4.4 搜索树198
7.4.5 基于穷举的MPDTC算法200
7.5 扩展方法201
7.5.1 对状态轨迹和输出轨迹进行分析201
7.5.2 线性拟合方法202
7.5.3 二次拟合方法203
7.5.4 二次插值拟合法205
7.6 总结和讨论206
附录7.A NPC型逆变器驱动系统的控制器模型208
参考文献209
第8章 模型预测直接转矩控制的性能评估210
8.1 中点钳位逆变器驱动系统的性能评估210
8.1.1 仿真设置210
8.1.2 稳态运行211
8.1.3 暂态运行216
8.2 ANPC逆变器驱动系统的性能评估218
8.2.1 控制器模型219
8.2.2 改进的MPDTC算法220
8.2.3 仿真设置221
8.2.4 稳态运行221
8.2.5 暂态运行227
8.3 总结和讨论228
附录8.A ANPC型逆变器驱动系统的控制器模型229
参考文献230
第9章 模型预测直接转矩控制的分析与可行性232
9.1 目标集232
9.2 状态反馈控制律233
9.2.1 预备知识234
9.2.2 给定转子磁链矢量的控制律235
9.2.3 目标集边缘的控制律241
9.3 死锁现象分析242
9.3.1 死锁的根本原因分析242
9.3.2 死锁的位置244
9.4 死锁的解决方法246
9.5 死锁的避免247
9.5.1 死锁避免策略247
9.5.2 性能评估249
9.6 总结和讨论252
9.6.1 状态反馈控制律的推导与分析252
9.6.2 死锁的分析?解决与避免253
参考文献253
第10章 高效模型预测直接转矩控制255
10.1 预备知识255
10.2 基于分支定界法的MPDTC 256
10.2.1 概念和原理256
10.2.2 分支定界法的特性257
10.2.3 限制最大计算数259
10.2.4 高效MPDTC算法259
10.3 性能评估260
10.3.1 案例研究260
10.3.2 稳态运行时的性能标准261
10.3.3 稳态运行时的计算指标263
10.4 总结和讨论267
参考文献268
第11章 模型预测直接转矩
控制的推演269
11.1 模型预测直接电流控制269
11.1.1 案例研究270
11.1.2 控制问题271
11.1.3 定子电流边界的描述271
11.1.4 控制器模型274
11.1.5 控制问题的描述275
11.1.6 MPDCC算法276
11.1.7 性能评估277
11.1.8 整定282
11.2 模型预测直接功率控制283
11.2.1 案例研究284
11.2.2 控制问题285
11.2.3 控制器模型286
11.2.4 控制问题的描述286
11.2.5 性能评估287
11.3 总结和讨论292
11.3.1 模型预测直接电流控制292
11.3.2 模型预测直接功率控制293
11.3.3 目标集293
附录11.A MPDCC中使用的控制器模型295
附录11.B 有功和无功功率296
附录11.C MPDPC中使用的控制器模型297
参考文献298
第4篇 基于脉冲宽度调制的模型预测控制301
第12章 模型预测脉冲模式控制303
12.1 最新控制方法303
12.2 优化脉冲模式304
12.2.1 概要?性能及计算304
12.2.2 磁链幅值与调制度的关系305
12.2.3 时间与角度的关系306
12.2.4 定子磁链参考轨迹306
12.2.5 查表法308
12.3 定子磁链控制308
12.3.1 控制目标308
12.3.2 控制原理308
12.3.3 控制问题309
12.3.4 控制方法309
12.4 MP3C算法310
12.4.1 观测器311
12.4.2 速度控制器312
12.4.3 转矩控制器312
12.4.4 磁链控制器312
12.4.5 脉冲模式加载器312
12.4.6 参考磁链313
12.4.7 脉冲模式控制器313
12.5 MP3C求解方法315
12.5.1 基于二次规划的MP3C 316
12.5.2 基于无差拍控制的MP3C 318
12.6 脉冲插入319
12.6.1 定义320
12.6.2 算法320
附录12.A 二次规划322
附录12.B 无约束求解323
附录12.C 无差拍MP3C的转换324
参考文献324
第13章 模型预测脉冲模式控制性能评估325
13.1 NPC逆变器驱动系统性能评估325
13.1.1 仿真设置325
13.1.2 稳态运行326
13.1.3 瞬态运行331
13.2 ANPC逆变器驱动系统实验结果335
13.2.1 实验设置335
13.2.2 分层控制结构337
13.2.3 稳态运行338
13.3 总结和讨论340
13.3.1 与现有先进控制方法的区别340
13.3.2 讨论342
参考文献343
第14章 模块化多电平变换器的模型预测控制344
14.1 引言344
14.2 预备知识345
14.2.1
