基于死区等效电压矢量的高精度逆变控制策略研究

摘要

逆变技术作为四大变流技术之一，被广泛应用在生产和生活各个方面。随着太阳能、风能和生物能为代表的新能源快速开发和推广利用，人们对电能质量的要求不断提高，对逆变技术的性能指标也提出了更高的要求。因此，提高逆变控制的电流跟踪精度，减少谐波，具有重要的意义。
　　本文以三相两电平电压型逆变器为研究对象，以电感和电阻作为等效负载，展开逆变器电流跟踪控制的研究。通过分析逆变桥臂的电流换流规律，提出了死区等效电压矢量的概念，并推导出其数学模型方程。在传统的有限集模型预测控制(Finite Control-Set Model Predictive Control，FCS-MPC)方法的基础上，引入死区等效电压矢量及其控制方法，使得原本每个控制周期单电压矢量输出变为双电压矢量的最优合成输出，将原本不可控的死区状态变为柔性可控的、有利于提高逆变精度的有效电压矢量，从而大幅提高了逆变控制精度及其性能。仿真和实验结果均表明，在本文所提出的控制算法作用下，电流跟踪均方差值和总谐波畸变率均明显减少。研究的主要内容分下几点展开:
　　(1)对传统的逆变控制方法进行了研究分析，尤其是FCS-MPC控制方法的优缺点及研究现状。
　　(2)提出了死区等效电压矢量的概念并推导了其数学模型方程。根据死区自然换流时，二极管的钳位电压值与某一开关管导通时输出电压相等的规律，提出死区等效电压矢量的概念，并通过组合逻辑的方法，研究死区等效电压矢量与三相电流方向、死区状态和开关切换前后开关状态等因素之间的关系，推导出相应的模型方程，为后续死区等效电压矢量的控制方法奠定理论基础。
　　(3)设计了死区等效电压矢量的控制算法。在每个周期里，分析死区状态与下一时刻开关状态的所有可能组合，得到对应死区等效电压矢量与下一时刻电压矢量的组合情况;并构造综合代价函数，使之更符合本文所提算法的跟踪性能评价标准;基于综合代价函数提出最优时间分配算法，合理分配两个电压矢量的作用时间，使得两个电压矢量合成控制后的综合代价函数值为最优;计算所有电压矢量组合下的最优综合代价函数值，并选择其中的最小值所对应的开关状态及相应的作用时间输出，从而通过两个电压矢量的最优合成，实现逆变电流的高精度逆变控制;并研究算法特点，在保证控制效果的前提下，对算法进行简化和优化，方便仿真与实验中的程序设计。
　　(4)建立了仿真模型并进行了仿真分析。利用Matlab/Simulink工具设计三相两电平逆变器的仿真模型，验证了死区等效电压矢量概念的正确性及适用条件，比较分析了逆变器在传统FCS-MPC算法和本文提出的控制算法作用下的电流跟踪性能，并研究不同模型参数对所提控制算法跟踪规律的影响，为后续实验结果分析提供指导和借鉴。
　　(5)搭建了实验平台，编写了FPGA控制程序。基于LabVIEW FPGA搭建三相两电平电压型逆变器实验平台，并进行软件程序设计，实现了硬件级的高速并行计算，在2μs以内完成每个控制周期的相关运算。分析实验波形和相关数据，相比于传统FCS-MPC算法，本文提出的控制算法可以有效地改善逆变电流的跟踪性能，从而进一步验证了本文所提算法的有效性及可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 电流跟踪控制技术

1．3 FCS-MPC算法的研究现状

1．4 死区问题现状

1．5 本文主要研究内容

第二章 死区等效电压矢量研究

2．1 死区等效电压矢量的定义

2．2 死区等效电压矢量的数学模型

2．3 本章小结

第三章 死区等效电压矢量的控制策略研究

3．1 传统FCS-MPC电流预测控制

3．2 基于死区等效电压矢量的电流预测控制算法研究

3．3 控制算法的优化研究

3．4 本章小结

第四章 建模仿真与控制规律研究

4．1 系统仿真模型的建立

4．2 仿真分析

4．3 不同模型参数下的控制规律研究

4．4 本章小结

第五章 实验平台搭建与结果分析

5．1 实验平台搭建

5．2 软件程序设计

5．3 实验结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果

致谢