三相PWM整流器模型预测功率控制算法研究

摘要

三相电压型脉宽调制(pulse width modulation, PWM)整流器具有可实现单位功率因数运行、网侧电流谐波含量低、直流侧输出电压可控、能量双向流动等优点，已广泛应用于有源滤波器、新能源并网、微电网系统、高压直流输电等领域。随着电力电子技术与器件的蓬勃发展，以及在生产生活中对电能质量需求的提高，由此要求三相PWM整流器要能获得更快的动态响应速度以及更好的稳态控制效果。因此，开展对三相PWM整流器控制算法的研究极具重要的理论意义与实际的工程应用价值。　　本文以三相PWM整流器作为研究对象，以提高其功率内环动态响应速度及稳态控制精度、实现单位功率因数运行、降低系统的硬件成本及复杂性为研究目标，主要从直接功率控制算法、模型预测功率控制算法、电感参数在线辨识、无网压传感器控制算法等方面开展研究，具体工作可总结如下：　　首先，以PWM整流器的模型电路为基础，详细分析了PWM整流器在不同运行状态下的工作原理。基于坐标变换分别建立了其在三相abc静止坐标系、两相α-β静止坐标系以及两相d-q旋转坐标系下的数学模型，并对空间矢量调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)技术的基本实现原理进行了阐述。　　其次，对传统基于比例积分控制器的直接功率控制(proportional intergral-based direct power control, PI-DPC)算法与传统有限集模型预测功率控制(finite-control-set model predictive control，FCS-MPPC)算法的工作原理进行了详细地分析。针对传统PI-DPC内环功率PI控制器的参数设计复杂、动态响应速度慢和传统FCS-MPPC网侧电流谐波含量高、开关频率不固定等缺点，从整流桥输入端电压动态分量优化的角度出发，借鉴模型预测控制思想通过评价函数预测最优动态分量，提出了一种基于整流桥输入端电压动态分量优化的模型预测功率控制(model predictive power control, MPPC)算法，该算法在取消了功率内环PI控制器的同时提高了系统的动态响应速度和控制精度。针对所提MPPC算法对电感参数的依赖性，本文分析了控制电感参数与实际电感参数不一致时对系统功率造成的影响，在此基础上，给出了一种电感参数在线辨识算法，在电感参数发生变化的情况下能有效辨识出电感，消除系统的功率误差，实现控制目标。并对所提MPPC、传统PI-DPC算法、传统FCS-MPPC算法和电感参数在线辨识算法分别进行了仿真验证。　　然后，为降低系统的硬件成本及复杂性，避免网侧电压传感器故障对系统控制性能造成的影响，研究了一种基于改进虚拟磁链观测器的无网压传感器控制算法，该算法能有效地消除由滤波器引起的误差，提高了虚拟磁链估算的准确性，并对此算法进行了仿真验证。　　最后，简单介绍了基于RT-LAB与TMS320F28335DSP的硬件在环半实物实验平台，并对传统PI-DPC和所提MPPC算法进行了半实物实验对比研究，实验结果证明了所提算法的正确性和有效性。亦对电感参数在线辨识算法和基于改进虚拟磁链观测器的无网压传感器控制算法进行了半实物实验验证。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 三相 PWM整流器的直接功率控制算法

1.2.2 三相 PWM整流器的模型预测功率控制算法

1.2.3 三相 PWM整流器的无网压传感器控制算法

1.3 论文主要研究内容

第2章三相PWM 整流器的工作原理与数学模型

2.1 三相 PWM整流器的基本工作原理

2.2 三相 PWM整流器的数学模型

2.3 SVPWM技术的基本原理

2.4 本章小结

第3章三相PWM 整流器的模型预测功率控制算法

3.1.1 瞬时功率理论

3.1.2 传统有限集模型预测功率控制

3.2 传统基于 PI控制器的定频 DPC算法

3.3.1 整流桥输入端电压矢量端点轨迹的定义

3.3.2 所提 MPPC算法的实现

3.4 电感参数在线辨识算法

3.5 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第4章三相PWM 整流器的无网压传感器控制算法

4.1 虚拟磁链的引入

4.2 d 轴虚拟磁链定向下的数学模型

4.3.1 纯积分器观测

4.3.2 一阶低通滤波器观测

4.4 改进的虚拟磁链观测器

4.5 仿真结果与分析

4.6 本章小结

第5章硬件在环半实物实验验证

5.1 半实物实验平台

5.2 半实物实验结果与分析

5.2.1 所提 MPPC算法

5.2.2 电感参数在线辨识算法

5.2.3 基于改进虚拟磁链观测器的无网压传感器控制算法

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

攻读硕士期间参与的科研项目