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高功率因数VIENNA整流器控制策略的研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-08-03  浏览次数:842
核心提示:电力电子装置的广泛应用在给电能的变换及应用带来方便的同时,也给电力系统带来了严重的谐波和无功污染。为此,研究具有高功率因数和低输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)的绿色无污染的PWM整流装置已成为电力电子应用技术中的一个重大研究课题。
 【摘要】:电力电子装置的广泛应用在给电能的变换及应用带来方便的同时,也给电力系统带来了严重的谐波和无功污染。为此,研究具有高功率因数和低输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)的绿色无污染的PWM整流装置已成为电力电子应用技术中的一个重大研究课题。

VIENNA整流器(三相三电平三开关boost整流器)具有功率因数高,输入电流THD低,开关器件少,开关应力低,可靠性高等特征,对该整流器控制问题的研究具有重要的理论意义和工程价值。 首先,针对VIENNA整流器,提出了一种改进PODRCC方法。该调制方法引入了负载反馈机制,有效解决了轻载和空载输出电压不可控的问题。利用状态空间法,给出了VIENNA整流器在abc静止坐标系、αβ两相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的数学模型。通过对同相双载波补偿控制(PDDRCC)和反相双载波补偿控制(PODRCC)两种方法进行分析,得出PODRCC方法更易于实现且可靠性高。上述内容为后续研究奠定了基础。 其次,提出了一种基于改进型ANF的三相EPLL控制策略,并用BF-PSO算法对控制器参数进行优化设计。BF-PSO算法将粒子群优化(PSO)算法作为一个变异算子引入细菌觅食(BF)优化算法,以此提高优化算法的搜索能力、搜索精度和搜索速度。在此基础上,提出了一种基于BF-PSO优化的改进型自适应陷波滤波器(ANF),解决了较大扰动和噪声情况下获取单相系统同步电压信息问题,并利用均值理论对其稳定性进行了分析。针对传统的三相锁相环(PLL)难以处理输入电压不平衡问题,提出了基于改进型自ANF的三相增强型锁相环(EPLL),对输入电压畸变条件下的EPLL非线性模型进行了推导,并用Lyapunov第二法对该模型稳定性和跟踪能力进行分析。 然后,提出了基于模糊比例谐振(FLPR)控制的电流解耦控制算法,提高VIENNA整流器输入电流的跟踪特性。

对VIENNA整流器的电流解耦控制方法进行分析,得出在αβ坐标系下可实现VIENNA整流器电流控制的解耦。将基于内模原理的比例谐振控制算法应用到电流跟踪控制环节中,实现了VIENNA整流器的电流无误差跟踪控制。为了增强控制系统的鲁棒性和抗干扰能力,设计了一个模糊调整器,可根据系统误差实时地调整比例谐振控制器参数,以取得良好的稳态精度与动态响应速度。 再次,提出基于BF-PSO的分数阶控制器,提高了VIENNA整流器直流电压控制精度。将BF-PSO算法引入到控制器参数的求解当中,解决了分数阶控制器参数难以设计问题。然后将所提方法应用到VIENNA整流器直流母线电压控制中,提高了控制精度,并增强了系统的稳定性。同时,针对三电平变换器固有的电容中点电压波动问题,设计了基于BF-PSO算法的限幅比例因子的中点电压控制器,实现了中点电压的高精度平衡调节,并减少了中点平衡调节对电流THD的影响。 最后,根据VIENNA整流器的性能指标和功能要求,给出了系统的总体设计方案,搭建了基于DSP 2812的控制平台和功率单元。在此基础上,应用前文所提方法设计了VIENNA整流器电压外环、电流内环以及中点平衡的控制器,并加以实现。系统实验结果表明,各项指标达到了设计要求,验证了所提控制策略的可行性和有效性。

【学位授予单位】:哈尔滨工业大学

【学位级别】:博士

【学位授予年份】:2009

【分类号】:TM461.3

【目录】: 摘要3-5

Abstract5-13

第1章 绪论13-25

1.1 课题研究背景及意义13-14

1.2 三相整流器国内外研究现状14-24

1.2.1 三相整流器拓扑结构的发展14-20

1.2.2 电压同步控制策略的研究现状20-21

1.2.3 输入电流控制策略的研究现状21-23

1.2.4 直流电压控制策略的研究现状23-24

1.3 本文主要研究内容及章节安排24-25

第2章 VIENNA 整流器数学模型及调制方法分析25-45

2.1 引言25

2.2 VIENNA 整流器工作原理分析25-28

2.3 VIENNA 整流器数学模型28-36

2.3.1 abc 坐标系中VIENNA 整流器数学模型28-32

2.3.2 dq 坐标系中VIENNA 整流器数学模型32-34

2.3.3 αβ坐标系中VIENNA 整流器数学模型34-36

2.4 改进的DRCC 调制算法与分析36-44

2.4.1 PODRCC 调制的分析36-39

2.4.2 PDDRCC 调制方法的分析39-42

2.4.3 改进的 POCC 调制方法42-44

2.5 本章小结44-45

第3章 基于BF-PSO 的电压同步优化控制策略45-72

3.1 引言45

3.2 BF-PSO 混合优化算法45-56

3.2.1 粒子群优化算法45-47

3.2.2 细菌觅食优化算法47-52

3.2.3 一种细菌觅食粒子群混合优化算法52-56

3.3 基于BF-PSO 的ANF 优化设计56-63

3.3.1 传统的ANF 分析56-57

3.3.2 一种改进的ANF57-58

3.3.3 改进ANF 的稳定性分析58-61

3.3.4 基于BF-PSO 的优化设计61

3.3.5 仿真分析61-63

3.4 三相EPLL 同步算法63-70

3.4.1 三相PLL 同步算法原理分析63-65

3.4.2 一种改进的三相EPLL65-66

3.4.3 三相PLL 稳定性分析66

3.4.4 相位跟踪能力分析66-67

3.4.5 基于BF-PSO 的优化设计67-68

3.4.6 仿真与分析68-70

3.5 本章小结70-72

第4章 基于FLPR 的电流解耦控制算法设计72-90

4.1 引言72

4.2 传统的电流解耦控制算法分析72-77

4.2.1 dq 坐标系电流解耦控制算法分析72-74

4.2.2 abc 坐标系自适应滞环电流解耦算法分析74-77

4.3 基于模糊的比例谐振的电流控制算法分析77-85

4.3.1 比例谐振控制器的原理分析77-80

4.3.2 比例谐振控制器控制算法分析80-82

4.3.3 比例谐振控制算法的稳态无差特性分析82-83

4.3.4 一种改进的比例谐振控制算法83-85

4.4 仿真与分析85-89

4.5 本章小结89-90

第5章 基于BF-PSO 的直流电压优化控制策略90-110

5.1 引言90

5.2 基于分数阶微积分的PID 控制算法90-97

5.2.1 分数阶微积分的基本理论91-92

5.2.2 分数阶控制系统的描述92-93

5.2.3 分数阶控制系统的离散化方法分析93-97

5.2.4 分数阶PI~λD~μ控制器97

5.3 基于BF-PSO 的分数阶PI~λD~μ母线电压控制算法优化97-104

5.3.1 基于功率平衡的同步小信号电压环模型98-100

5.3.2 分数阶PI~λD~μ控制器参数设计原则100-101

5.3.3 基于BF-PSO 优化的控制参数设计101

5.3.4 仿真与分析101-104

5.4 基于BF-PSO 的电容中点电压平衡控制算法优化104-109

5.4.1 传统的中点电压平衡控制方法分析105

5.4.2 带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法105-106

5.4.3 基于BF-PSO 的优化设计106-107

5.4.4 仿真分析107-109

5.5 本章小结109-110

第6章 VIENNA 整流器控制系统实验设计110-137

6.1 引言110

6.2 系统参数和指标要求110-111

6.3 VIENNA 整流器系统的实验平台111-118

6.3.1 驱动电路设计113-115

6.3.2 输入电感和直流侧输出电容的设计115-116

6.3.3 基于DSP2812 的全数字控制系统设计116-118

6.4 VIENNA 整流器控制系统综合实验验证118-136

6.4.1 基于BF-PSO 优化的电压同步算法实验验证118-121

6.4.2 基于模糊比例谐振的电流解耦控制算法实验验证121-125

6.4.3 基于BF-PSO 的直流电压控制算法实验验证125-132

6.4.4 VIENNA 系统总体实验验证132-136

6.5 本章小结136-137

结论137-139

参考文献139-149

攻读博士学位期间所发表的论文149-151

致谢151-152

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