单相PWM整流器高性能电流控制算法研究

摘要

单相脉宽调制(pulse width modulation，PWM)整流器由于具有能量可双向流动、单位功率因数、直流侧电压稳定等优点，因此其在铁路机车牵引、静止无功补偿、不间断电源、有源电力滤波等领域得到了广泛应用。随着电力电子技术与器件的发展，以及电能质量需求的提高，对单相 PWM 整流器的动态响应速度与网侧电压波动下的控制性能提出了更严格的要求。因此，对单相 PWM 整流器的高性能电流控制算法进行研究具有十分重要的理论意义与实际应用价值。 本文以单相 PWM 整流器作为研究对象，以提高其 DQ 电流解耦控制的电流内环动态响应速度、增加算法控制精度、实现单位功率因数、消除网侧电压波动造成的不良影响、降低整流器的硬件成本为研究目标，主要从虚拟正交分量构造、电感参数灵敏度分析、电感误差在线补偿、虚拟网压磁链观测等方面开展研究，具体工作可总结如下： 首先，分析了单相PWM整流器的拓扑结构与工作原理，建立了其在两相旋转d-q坐标系下的数学模型，重点介绍了 DQ 电流解耦控制方法的基本原理，同时分析了该方法的优缺点。 其次，针对单相系统坐标变换需要构造虚拟正交分量问题，分析了传统的四分之一周期延时算法与二阶广义积分(second-order generalized integrator,SOGI)算法，研究了一种基于虚拟信号反馈(virtual signal feedback,VSF)的DQ电流解耦控制算法，并给出了整流器电感参数的灵敏度分析。该VSF算法可使电流内环动态响应速度得到明显提高，响应时间短、动态性能优越。在此基础上，为消除电感参数不匹配对功率因数的不良影响，给出了一种基于稳态 q 轴电流偏移的电感误差在线补偿算法，在控制算法所用电感参数与网侧电感实际参数不匹配的情况下实现整流器单位功率因数的控制目标，并通过仿真对VSF算法与传统的延时算法和SOGI算法进行了对比验证。 再次，为消除网侧电压波动对整流器控制造成的不良影响，降低整流器的硬件成本，研究了一种基于虚拟网压磁链观测的单相 PWM 整流器无网压传感器控制。该算法借鉴交流电机中的磁链观测，通过引入虚拟的网压磁链矢量来达到取消网侧电压传感器的目的。同时，对该控制方法进行了计算机仿真验证，仿真结果表明：该算法在不对网侧电压进行采样的情况下即可得到坐标变换所需的角度信号，从而实现了无网压传感器控制。 最后，基于RT-LAB实时仿真器与TMS320F28335 DSP数字控制器的硬件在环半实物实验平台，完成了虚拟信号反馈算法与电感误差在线补偿算法的DSP程序开发，并进行了半实物实验验证，实验结果证明了两种算法的有效性与正确性。

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