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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MPDTC256

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MP3C316

12.5.2基于无差拍控制的MP3 C318

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拓扑345

14.2.2变换器非线性模型346

14.3模型预测控制348

14.3.1控制问题348

14.3.2控制器结构348

14.3.3线性预测模型349

14.3.4代价函数349

14.3.5硬约束与软约束350

14.3.6优化问题351

14.3.7多电平载波脉宽调制351

14.3.8平衡控制352

14.4性能评估352

14.4.1系统和控制参数352

14.4.2稳态运行354

14.4.3瞬态运行355

14.5参数设计361

14.5.1开环预测偏差362

14.5.2闭环性能362

14.6总结和讨论363

附录14.A动态电流方程364

附录14.B变换器系统的控制器模型365

参考文献366

第5篇 总结369

第15章 结论和总结371

15.1直接模型预测方法的性能比较371

15.1.1案例研究371

15.1.2性能权衡曲线372

15.1.3总结与讨论376

15.2控制和调制方法的评估379

15.2.1基于SVM的FOC和VOC379

15.2.2 DTC和DPC380

15.2.3基于参考值跟踪的直接MPC380

15.2.4带边界的直接MPC381

15.2.5基于OPP的MP3 C381

15.2.6间接MPC382

15.3结论383

15.4展望383

参考文献384