有源前端变流器的有限控制集模型预测控制研究

发布时间：2020-08-01 18:00

【摘要】：近年来,能源需求日益增长,人们对电能质量的要求越来越高,利用电力电子变流装置来实现高质量的电能变换已经成为电力电子与电力传动领域的一个热门研究课题。有源前端变流器作为连接电网与用电设备的接口,其控制性能的优劣直接关系到电能变换的质量。因此,研究有源前端变流器的高性能控制问题具有重要的实际意义。本文主要研究工作包括以下几个方面:第一,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在在线计算量较大导致控制指令的计算时间延迟问题,分别提出了基于无差拍预测控制策略和基于Lyapunov原理的简化有限控制集模型预测控制方法,引入矢量扇区判断方式,并结合电压空间矢量等效变换的原理,从而可以有效减少算法所需的在线寻优时间以及预测值计算次数,利于工程实现。第二,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在过度依赖系统参数以及有源前端变流器输入滤波电感、等效电阻等参数失配时的高性能控制问题,提出了一种基于模型参考自适应在线参数辨识的有限控制集模型预测控制技术,从而有效避免了有源前端变流器在实际运行中因系统干扰、电抗器饱和以及温度变化等引起的模型参数失配。第三,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在动态响应慢,以及电压外环PI调节器对控制对象参数变化比较敏感,且容易出现超调的问题,提出了一种基于动态给定设计的有源前端变流器有限控制集模型预测控制方式。该方法取消了电压外环的使用,从而避免了 PI控制器参数的调节。在此基础上,结合简化有限控制集模型预测控制策略,不但减少了在线计算时间,而且有效改进了系统的动态性能。第四,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在过高的开关频率将增加功率器件的开关损耗,降低其效率的问题,提出了一种具有低开关频率的有源前端变流器模糊有限控制集模型预测控制策略。该策略采用滞环控制的设计思想,引入模糊控制策略,在兼顾控制性能的同时有效地降低了功率器件平均开关频率,实现了低开关频率下的有源前端变流器的高效运行。第五,针对传统有限控制集模型预测控制方式在控制过程中存在权重因子选择困难的问题,提出了一种基于多目标优化的简化有源前端变流器有限控制集模型预测控制策略。该策略分别采用多目标平均等级排序以及多目标模糊决策的设计方式,从而在降低在线计算负担的同时,有效避免了权重因子的选择问题。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46
【图文】：

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电平拓扑发展到多电平拓扑结构，在发展的同时，新型大功率电力电子器件为大容量电力电子变换技术提供了基础，促进了多电平变换器的进一步发展［４１＿４２］。接下来，本节将对两电平、三电平以及四电平拓扑结构进行简要论述，并逡逑对不同的拓扑结构进行分析与总结，以此勾勒出近年来ＡＦＥｓ拓扑结构的发展逡逑轨迹。逡逑１）两电平ＡＦＥｓ拓扑结构逡逑本文将三相电压型邋ＰＷＭ邋整流器（Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋Ｓｏｕｒｃｅ邋ＰＷＭ邋Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，逡逑ＶＳＲ）称为两电平ＡＦＥｓ。两电平ＡＦＥｓ电路拓扑结构如图１．１所示。该拓扑结构交逡逑流侧懫用三相对称的无中线连接方式，并由６个绝缘栅双极型晶体管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ逡逑Ｇａｔｅ邋Ｂｉｐｏｌａｒ邋Ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ，ＩＧＢＴ）作为功率开关器件，反并联６个续流二极管，以确逡逑保负载电流的连续，为实现能量的回馈提供回路。同时各桥臂上下功率开关管懫逡逑用互补导通的方式，避免直流侧电源直通，造成直流侧电源短路现象的发生。该逡逑拓扑主要应用于低压小功率场合［４３］。逡逑Ｐ逦逡逑

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逑的需求以及为了减少逆变器输出电压谐波的需要，进而发展起来的一种多电平变逡逑换器拓扑结构。三电平ＡＦＥｓ电路拓扑结构如图１．２所示。该拓扑结构交流侧与逡逑两电平ＡＦＥｓ类似，采用三相对称的无中线连接方式，主电路由１２个ＩＧＢＴ及６逡逑个钳位二极管组成。其中，钳位二极管的作用是将功率开关器件所承受的正向阻逡逑断电压限定在期望电压值内，这样既有利于确定变流电路输出电平的大小，又可逡逑以在电路工作过程中避免电压过高损坏功率开关器件［４４］。该拓扑主要应用于中压逡逑大功率场合１４５１逡逑逦逦邋Ｐ逡逑识１邋逦１邋妙１邋逦１邋ｇｄ邋邋，Ｑ逡逑Ｘ逦＾邋ｓａ２邋＇，邋ｓｂ２邋，ｓｃ２邋．邋＞逡逑——？逦＾￣ＷＶ逦ｖｇｃ逦ｉ。逦１逡逑＾邋ｘ邋＾逦￣’—＇一－逡逑逦Ｈ￣￣ｖ逦＾邋Ｔ逡逑——＠￣＝＾０＿逦．．￣Ｉ邋——－￣！——Ｖ取逡逑——Ｉ逦ｈ—１邋ｇｃ３邋—＇ｑＺＩ逡逑Ｎ逡逑图１．２三电平有源前端变流器拓扑结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋３Ｌ－ＡＦＥｓ逡逑３）四电平ＡＦＥｓ拓扑结构逡逑本文将四电平嵌入式中点钳位型变换器（Ｆｏｕｒ－Ｌｅｖｅｌ邋Ｎｅｓｔｅｄ邋Ｎｅｕｔｒａｌ－Ｐｏｉｎｔ－逡逑Ｃｌａｍｐｅｄ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，４Ｌ－ＮＮＰＣＳ）称为四电平ＡＦＥｓ。该拓扑结构为一种新兴的拓扑逡逑结构，由加拿大Ｍｅｈｄｉ邋Ｎａｒｉｍａｎｉ等学者在２０１４年首次提出，该拓扑一般运行在逡逑２．４－７．２ＫＶ电压等级范围内［４６］。相比于其它传统四电平拓扑结构而言

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ＡＦＥｓ和三电平ＡＦＥｓ拓扑，且每个主开关器件关断时所承受的电压是直流侧电压逡逑的三分之一，因此该变流器拓扑结构适合于中压大功率的应用场合［４９］。其拓扑结逡逑构如图１．３所示。逡逑逦邋逦邋，邋Ｐ逡逑Ｓｇ0ｉ＾逦＾逡逑Ｓｇａ２＾Ｙ逦ｌ0逡逑ｅ邋Ｔ邋－－逡逑Ｊ＾ａ邋Ｓ＇邋？ｉｇａ邋”邋“丁广逦ｉ逦八丁ｒ逡逑￣？８ａ邋Ｃｇａｌ邋Ｃｇｂｌ邋Ｃｇ：ｌ逡逑°￣ｔｒｒｒ＾ｘ邋0ｇｂ邋＂４邋（ｋ逡逑Ｓｇａ５邋一邋ｋｊ逦ＳｇｂＷ邋ｋｊ逦ｃｊ逡逑＾６＾＾逡逑Ｎ逡逑图１．３四电平有源前端变流器拓扑结构逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋４Ｌ－ＡＦＥｓ逡逑４）模块化多电平变换器拓扑结构逡逑模块化多电平变换器（Ｍｏｄｕｌａｒ邋Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，邋ＭＭＣ）拓扑结构如图１．４逡逑所示。该拓扑结构可分为子模块单元、桥臂单元、相单元三个层次。各子模块单逡逑元均为半桥结构与直流电容并联而成，通过端口与主电路连接，各桥臂单元则由逡逑Ｎ个子模块与一个缓冲电感串联而成，以实现瞬时短路期间对电路的保护功能。逡逑各相单元又包含上、下两个桥臂。同时，该结构功率单元的两个开关由互补信号逡逑控制，产生两种有效状态，将内部电容旁路或接入桥臂的整个电容阵列，从而产逡逑生多电平波形［５Ｇ］。与其它经典多电平拓扑结构相比较，该拓扑结构能显著提高交逡逑流侧供电质量

【参考文献】