三相电压型PWM整流器控制策略研究

发布时间：2017-03-25 12:00

  本文关键词：三相电压型PWM整流器控制策略研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着科学技术的进步,电力电子设备在国民生活中得到普遍的使用,其输出的无功功率和高频谐波对电网造成的“污染”日益增多,影响了输电线路的电能质量。PWM整流器采用全控型开关器件,可实现整流器的单位功率因数运行,具有电能双向流通和较低的电流THD%的优点,使“绿色”电能变换成为可能。PWM整流器在UPS不间断电源、柔性交流输电系统(AFG、SVG、UPFC)、特高压直流输电、新能源并网发电、超导储能、电气传动等方面拥有广泛应用前景。控制算法是PWM整流器的核心环节,其决定整流器性能的优劣,本文针对控制算法进行改进,具体内容如下:首先,基于两相旋转坐标系,建立三相电压型PWM整流器的VSR dq数学模型。着重分析基于VSR dq数学模型的电流闭环PI矢量控制原理与直接功率控制原理,包括PI控制系统设计和参数设定、DPC的瞬时功率计算与VSR的并网策略等内容。随后对VSR的直流侧电容与滤波电感的参数设置加以分析。其次,当负载功率波动以及电网的THD%较大时,传统的电流闭环PI矢量控制难以满足整流器的性能要求。因此采用负载电流前馈的方法能够及时反映负载功率变化,使VSR及时进行功率调整,减小直流电压波动。但前馈控制要求电流内环具有很快的响应速度,因此采用基于PID趋近律的滑模变结构控制,该方案不但具有响应速度快和抑制电网谐波扰动的能力,还能够充分抑制滑模变结构控制的“抖振”,提高控制的稳定性。MATLAB仿真结果表明本文提出的优化方案能够有效解决负载功率非周期性剧烈变化以及电网谐波干扰所引起的电压波动和电流THD%过大的问题,使VSR具有良好的性能指标。再次,介绍模型预测功率控制(MPDPC)原理及其开关表的电压矢量选择规律。MPDPC是将模型预测控制(MPC)与直接功率控制(DPC)相结合的方案,能有效地解决控制过程中的不确定性和非线性问题,易于处理过程中被控变量与操纵变量的各种约束条件,解决DPC静态功率纹波问题。但整流器负载功率变化较大时,直流电压和交流输入功率的波动较大、调整时间长。其原因是目标函数设置不合理,导致VSR功率变化时,控制变量间产生相互干扰,影响整流器性能。本文提出在目标函数中加入权衡因子的策略,有效的解决了负载功率变化时,变量间的控制干扰问题。MATLAB仿真结果表明加入权衡因子MPDPC的电压、功率波动小,取得了预期的效果。最后,建立整流器的多功能实验平台,设计与编写软件算法。两种控制方案的实验结果均取得了预期的控制效果,进一步验证了本文提出的控制理论与仿真验证的正确性。
【关键词】：PWM整流器 负载电流前馈控制 滑模变结构控制 模型预测功率控制 目标函数
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM461
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外PWM整流器研究现状11-15
• 1.3 论文研究目的与主要内容15-18
• 第二章 三相电压型PWM整流器的基本原理18-34
• 2.1 三相PWM整流器基本原理与数学模型18-22
• 2.1.1 三相PWM整流器基本原理18-19
• 2.1.2 PWM整流器的一般数学模型19-20
• 2.1.3 VSR在两相 旋转坐标系下的dq数学模型20-22
• 2.2 VSR控制系统22-26
• 2.2.1 电流内环设计22-24
• 2.2.2 电压外环设计24-26
• 2.3 直接功率控制26-28
• 2.3.1 基于电压定向的直接功率控制26-27
• 2.3.2 基于虚拟磁链定向的直接功率控制27-28
• 2.4 PWM整流器的参数设计28-32
• 2.4.1 交流侧电感设计28-30
• 2.4.2 直流侧电容设计30-32
• 2.5 本章小结32-34
• 第三章 VSR负载电流前馈与滑模变结构控制研究34-48
• 3.1 滑模变结构控制简介34-35
• 3.2 滑模变结构控制的基本原理与抖振问题35-38
• 3.2.1 滑模变结构控制基本原理35-36
• 3.2.2 滑模变结构控制的抖振问题36-38
• 3.3 基于PID趋近律的滑模变结构电流控制38-40
• 3.3.1 PID趋近律设计38-39
• 3.3.2 整流器电流内环控制器设计39-40
• 3.4 负载电流前馈控制40-42
• 3.5 MATLAB仿真研究42-47
• 3.5.1 仿真设计42-44
• 3.5.2 实验波形比较44-47
• 3.6 本章总结47-48
• 第四章 VSR模型预测功率控制研究48-60
• 4.1 模型预测控制简介48-49
• 4.2 模型预测功率控制基本原理49-52
• 4.2.1 PWM整流器的MPDPC模型49-50
• 4.2.2 MPDPC开关表50-52
• 4.3 改进型MPDPC控制52-54
• 4.3.1 目标函数的改进52-54
• 4.3.2 矢量作用时间的计算54
• 4.4 MATLAB仿真研究54-58
• 4.4.1 仿真设计54-55
• 4.4.2 仿真波形55-58
• 4.5 本章总结58-60
• 第五章 实验设计与分析60-74
• 5.1 系统硬件设计60-66
• 5.1.1 系统整体结构设计60-61
• 5.1.2 DSP+FPGA控制器设计61-63
• 5.1.3 相关电路板设计63-66
• 5.2 系统软件设计66-69
• 5.2.1 主程序与采样中断程序设计66-67
• 5.2.2 负载电流前馈与基于PID趋近律的滑模变结构控制程序设计67-68
• 5.2.3 改进型MPDPC控制程序设计68-69
• 5.3 实验结果与分析69-72
• 5.3.1 负载电流前馈与基于PID趋近律的滑模变结构控制实验分析69-70
• 5.3.2 MPDPC控制实验分析70-72
• 5.4 本章总结72-74
• 第六章 总结与展望74-77
• 6.1 总结74-75
• 6.2 展望75-77
• 致谢77-78
• 参考文献78-82
• 攻读硕士研究生期间的学术成果82

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