煤矿高效可靠生产运输的一种优选方案是采用井上变频-井下永磁同步电机长线驱动方式。而长线缆会加剧电机端过电压和绝缘老化，通常通过加装输出LC滤波器解决。但LC滤波器将引起系统谐振问题，使得传统控制策略无法直接适用。

针对上述问题，中国矿业大学电气工程学院研究人员提出了永磁同步电机长线变频驱动系统的一种固定开关频率滑模预测电流控制策略以提升系统运行稳定性。

煤炭，煤矿运输设备，煤矿工人

研究背景

近年来，永磁同步电机变频直驱系统以其高效率、高可靠性的优点在煤炭开发领域广受关注。特别是在煤矿井下开采运输应用场合，考虑到工作空间、隔爆和散热，优选采用的是井下电机、井上集中变频的驱动方式，二者通过长动力线缆连接。

然而，长线缆的引入会产生诸多负面影响：加剧机端尖峰过电压、电机绕组和轴承绝缘老化和谐波损耗等。一种理想的解决方案是在逆变器输出侧加装LC滤波器。但该方案使系统控制阶数上升为三阶而引入谐振稳定性问题。因此，亟需探索适适用于煤矿长线变频驱动工况下的高性能永磁电机控制策略。

论文所解决的问题及意义

现有永磁电机长线驱动系统的传统线性控制器多通过增加额外LC控制环以解决LC滤波器所引起的谐振稳定性问题。然而，该策略造成了级联环路多和参数整定复杂等问题；此外，现有的先进非线性控制策略，特别是模型预测控制，其多采用单一电压矢量而导致了系统稳态性能不佳的问题；此外，其开关频率亦不固定，这不仅不利于LC滤波器的设计，而且容易激发不期望的谐振动态。

针对上述问题，研究人员提出了一种永磁电机长线驱动系统定频滑模预测电流控制技术，其有望为加快矿用永磁电机驱动控制器的产业化提供理论基础。

论文方法及创新点

本文将滑模控制理论引入到模型预测控制的设计过程中，提出了永磁电机长线变频驱动系统的一种新型三矢量定频滑模预测电流控制策略，其整体结构如图1。

图1

研究人员首先建立了一种基于线性滑模切换函数的预测模型，并设计了基于滑模面跟踪的新型价值函数。其中，滑模面定义为定子电流及其变化率的跟踪误差。因所设计的滑模面固有地实现了多变量控制，故可有效抑制系统谐振失稳现象并提升系统鲁棒性；其次，研究人员进一步提出了一种三矢量定频滑模预测电流控制策略。该策略实现了固定开关频率，有助于提升系统稳态性能并方便输出LC滤波器的设计。最后，通过实验验证了所提控制策略的有效性。

结论

与传统单矢量预测电流控制相比，本文所提控制策略的定子电流纹波和谐波畸变率大大降低，有效抑制了谐振能量的激发，并获得了较优的定子电流稳态控制性能。

当系统定子电感参数发生±50%失配时，与传统单矢量预测电流控制相比，所提控制策略能够始终保持较优性能且无谐振发生。因此，所提控制策略对模型参数失配具有更强的鲁棒性。

团队介绍

郑长明，讲师，硕士生导师。主要研究方向为交流电机驱动控制、交直流微网控制和电力电子变压器等。主持国家自然科学基金青年基金项目1项，参与国家自然科学基金面上项目3项，山东省科技发展项目和山东省重点研发计划项目3项。曾获“山东省优秀博士学位论文”、第六届国际电力电子与电机驱动预测控制会议“最佳学生论文奖”等奖励。近五年发表学术论文30余篇。

公铮，副教授，博士生导师。中国矿业大学优秀青年骨干教师，中国电源学会变频电源与电力传动专委会委员，主要研究方向为电力电子变换及控制、大功率交流传动、柔性直流输配电技术等。主持国家自然科学基金项目2项，中国博士后科学基金项目2项，江苏省自然科学基金项目1项；参与国家重点研发计划、国家自然科学基金等科研项目10余项。发表学术论文30余篇，获授权发明专利20余项。

伍小杰，教授，博士生导师，中国矿业大学电气工程学院党委书记。江苏省“333高层次人才培养工程”，江苏省“六大人才高峰”高层次人才，江苏省“青蓝工程”高校中青年学术带头人。兼任中国电工技术学会理事、中国电源学会照明专业委员会委员、中国煤炭工业安全科学技术学会机电安全专业委员会防爆电气分会副主任委员等。从事风力、光伏并网发电、无功功率补偿、有源滤波器、大功率电机传动控制等方面的研究工作，先后主持国家重点研发计划课题、国家“863”计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家科技支撑计划子课题、博士点基金及横向项目50余项。发表学术论文90余篇，获授权发明专利20余项。

本文编自2023年第4期《电工技术学报》，论文标题为“永磁同步电机长线变频驱动系统定频滑模预测电流控制”。本课题得到国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年科学基金项目和江苏省自然科学基金项目的支持。