三相PWM整流器预测控制策略研究

发布时间：2020-08-01 14:34

【摘要】：石油能源紧缺和环境污染严重促进了电动汽车的快速发展,电动汽车可以节能减排,但电动汽车充电会给电网引入大量谐波,充电平台前级AC/DC部分采用三相PWM整流器可以有效抑制谐波。传统PI控制算法存在谐波含量高和动态性能差的问题,本文对三相PWM整流器预测控制策略进行了研究,该策略将占空比作为连续控制变量进行最优化控制,控制精度高,三相输入电流THD低,动态响应快。本文主要内容如下:建立三相PWM整流器在三相静止坐标系下的解耦数学模型。设计三相PWM整流器拓扑结构,对该拓扑工作原理进行分析,在三相静止坐标系推导连续时域下的整流器交流侧电流微分方程和直流输出电压微分方程,然后根据两个参考点N和n可以等效为等电势点对电流微分方程解耦,得到三相PWM整流器的连续状态空间模型,由对应的离散状态空间模型得到三相PWM整流器的预测模型。基于卡尔曼滤波原理设计三相电流状态观测器。利用卡尔曼滤波状态估计的高精度特点,根据三相PWM整流器数学模型,基于卡尔曼滤波估计步骤设计三相电流状态观测器,实现三相PWM整流器的无电流传感器控制,并加入了自适应过程,提高了状态观测器的抗扰动鲁棒性。通过MATLAB仿真表明三相电流观测器电流跟踪特性好。提出基于无电流传感器控制的约束预测控制策略。将三相电流跟踪性能指标作为控制目标和占空比作为控制变量建立价值函数,占空比在区间[0,1]内任意取值。根据预测模型将整流器最优占空比问题转换为二次规划问题,利用递归神经网络优化算法进行运算求解,设计预测控制器。通过MATLAB仿真表明本文提出的预测控制策略性能优于传统PI算法。构建三相PWM整流器实验平台,通过实验对本文提出的控制策略进行了验证。对功率电路、控制电路、采集电路和驱动电路等硬件电路进行了详细的设计。对软件部分进行模块化设计,并采用Verilog HDL语言编写程序。实验结果表明本文针对三相PWM整流器所设计的基于无电流传感器控制的约束预测控制器三相输入电流THD低,动态响应快。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM461;TP273
【图文】：

瞬时值,整流器,电压

0.25006 0.25008 0.2501 0.25012 0.25014 0.25016 0.25018time ( s)图 2-4 整流器Nnu 电压瞬时值-4 可知，电压Nnu 的瞬时值并不为零，是周期性的，且它输出电压的一半。但是电压Nnu 在一个开关周期内的平均和 n 点是等电势点。那么公式（2-1）可以变为：g L R gNe = u + u + u得三相 PWM 整流器的解耦数学模型为：121212aa a a obb b b occ c c oo oa a b b c cdiL e Ri u VdtdiL e Ri u VdtdiL e Ri u VdtdV VC u i u i u idt R = = = = + +

仿真波形,估计性能,仿真波形,观测器

( | ) [ ( ) ( )][ ( 1| 1) ( 1)]P k k = I K k C k GP k k G + Q k （3r ( k ) = (1 d ( k 1)) r ( k 1) + d ( k 1)( y ( k ) C ( k ) x ( k | k 1))（3 (1 d ( k 1)) R ( k 1) + d ( k 1) × ( y ( k ) C( k ) x ( k | k 1) P ( k | k 1))（3式（3-25）和式（3-26）是对噪声{v ( k )}的均值 r ( k )和协方差矩阵 R实时修正，完成自适应卡尔曼滤波过程，增加观测器抗扰动鲁棒性三相电流观测器仿真分析过电流观测器对三相输入电流进行状态估计，观测电流作为预测控，实现整流器无电流传感器控制。通过将三相电流观测器加入到预测进行 MATLAB/Simulink 仿真，比较电流观测器的 A 相观测电流和实图 3-2 所示，整流器工作在 10kW，稳态三相电流幅值为 21.6A。A与实际电流很接近，在过零点附近完全贴合，只是在波峰波谷处偏差观测电流减去实际电流得到偏差电流aΔi，偏差最大为 1A。20观测电流实际电流aiai∧

仿真波形,估计性能,仿真波形,偏差

0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.2 0.21 0.22 0.23 0.24time ( s)图 3-3 6.5kW 电流观测器估计性能仿真波形图 3-4 所示，整流器工作在 3.2kW，稳态三相电流幅值为 7A，偏差峰波谷处最大为 0.4A。偏差电流aΔi会随整流器工作功率增大而增加电流的大小会影响偏差电流aΔi的大小，但估计偏差精度不超过 6%，测器电流估计性能好。100.510-0.5观测电流实际电流aiai∧aΔi0-10

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