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电压型变换器抛物线法电流控制技术研究

2020-12-05阅读(405)

电压型变换器抛物线法电流控制技术研究

论文摘要

脉宽调制（Pulse-Width Modulation-PWM）功率变换器的电流控制技术是现代电力电子学的重要研究课题之一。许多功率变换器的具体应用,如有源电力滤波器（Active Power Filter-APF）、PWM整流器、功率因数校正（Power FactorCorrection-PFC）、逆变器等,都要求具有优良动态性能的高精度电流控制。本文重点研究一种用于电压型变换器（Voltage Source Converters-VSC）的抛物线法电流控制新技术。该方法采用一对特定的抛物线函数曲线,以控制电流跟踪误差的正负峰值和PWM开关时刻,可实现变换器输入/输出电流的高精度、快速跟踪控制。详细分析并系统构建了该方法的理论基础,并给出了具体实施方案。结合理论分析和图示法,研究了该方法在各种工况下的收敛性与稳定性问题。与经典的滞环法和同步开关法进行了比较研究,表明该方法不仅具有经典滞环法的优良动态性能和控制精度,还能保持开关频率基本恒定。为提高抛物线法电流控制技术的控制性能,本文就关键影响因素以及具体控制策略开展了多项应用基础研究。分析了变换器输入/输出端串联电感及内阻、低压侧（或交流侧）电压变化等对抛物线法电流控制性能的影响,导出了影响抛物线信号幅值的定量公式,指出电感值对控制性能的影响较大;进一步基于开关频率偏差,提出了一种自适应的参数补偿控制方法,以改善电流控制性能。以三相三线电压型变换器系统为研究对象,系统研究了抛物线法电流控制技术的三相解耦控制问题,并提出了两种解耦控制方法,即“虚拟零序电流解耦法”与“虚拟两相电流解耦法”。前者基于叠加原理,采用三个独立的抛物线法电流控制器,易于实现三相三线电流控制与三相四线电流控制的互换;后者基于重构的两相虚拟电流,采用两个独立的抛物线电流控制器,使得开关次数与开关损耗显著减少。为验证抛物线法电流控制技术的有效性,本文开展了大量的仿真分析与实验研究。基于抛物线法电流控制器,分别建立了正弦波逆变器、PWM整流器、PFC和APF的电压-电流双闭环控制系统数学模型,并给出了上述各系统的调节器设计方法和参数整定公式。具体研制了220V/1.5kVA的单相电压型正弦波逆变器、PWM整流器、PFC和APF等实验装置,以及三相APF和PWM整流器的综合实验平台。仿真和实验结果均表明,抛物线电流控制技术具有优良的动态性能和控制精度。结合抛物线电流控制技术在APF、PWM整流器中的具体应用,并基于开发的综合实验平台,本文从控制系统的层次和角度,还深入研究了APF的控制与补偿策略。分析了谐波检测信号在APF闭环控制系统中的作用,阐明了APF电源电流直接控制策略与APF经典控制策略之间的内在联系,揭示了这两种控制策略的等价性,以及APF电源电流控制策略与PWM整流器控制策略的统一性。通过建立电网的谐波传递模型,从理论上详细分析了现有的两种主要APF补偿策略的优劣,进一步揭示指出:对抑制谐波传递而言,将非线性负载最终补偿为一个等效线性电阻,要优于将非线性负载的馈线供电电流最终补偿为基波正序有功电流,且APF控制策略的实现也相对简单。仿真和实验验证了上述结论的正确性。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第1章 绪论
  • §1.1 本文的研究意义
  • §1.2 电压型变换器的一般性拓扑结构
  • §1.3 电流控制技术及其发展状况
  • §1.3.1 线性平均电流控制技术
  • §1.3.2 非线性电流控制技术
  • §1.3.3 模糊和神经网络控制技术
  • §1.3.4 电流控制技术小结
  • §1.4 本文的主要工作及安排
  • 第2章 抛物线法电流控制技术研究
  • §2.1 抛物线法电流控制技术基本思想
  • §2.2 抛物线法收敛性分析
  • §2.2.1 电流误差正负峰值收敛性与开关周期收敛性
  • §2.2.2 收敛性定性分析
  • §2.2.3 收敛速度分析
  • §2.3 抛物线法电流控制器的实现
  • §2.3.1 抛物线法电流控制器总体方案
  • §2.3.2 抛物线函数发生器
  • §2.4 抛物线法仿真和比较分析
  • §2.4.1 收敛性仿真验证
  • §2.4.2 与其它电流控制方法的仿真比较
  • §2.5 恒频抛物线法电流控制技术分析
  • §2.6 本章小结
  • 第3章 抛物线法电流控制器在电压型变换器中的应用研究
  • §3.1 在电压型逆变器中的应用研究
  • §3.1.1 逆变器控制系统传递函数数学模型
  • §3.1.2 逆变器控制系统电压调节器设计
  • §3.1.3 逆变器系统仿真研究
  • §3.1.4 逆变器系统实验研究
  • §3.2 在PWM整流器中的应用研究
  • §3.2.1 PWM整流器控制系统传递函数数学模型
  • §3.2.2 PWM整流器控制系统电压调节器设计
  • §3.2.3 单位功率因数PWM整流器仿真研究
  • §3.2.4 单位功率因数PWM整流器实验研究
  • §3.3 在PFC中的应用研究
  • §3.3.1 PFC系统仿真研究
  • §3.3.2 PFC系统实验研究
  • §3.4 本章小结
  • 第4章 三相三线抛物线法电流控制技术研究
  • §4.1 三相电流相互耦合对抛物线法电流控制的影响
  • §4.2 虚拟零序电流解耦法
  • §4.2.1 三相对称系统虚拟零序电流解耦法
  • §4.2.2 三相非对称系统虚拟零序电流解耦法
  • §4.2.3 实验研究
  • §4.3 虚拟两相电流解耦法
  • §4.3.1 基本理论
  • §4.3.2 开关状态固定区域的优化选择
  • §4.3.3 虚拟两相电流解耦法实施方案
  • §4.3.4 仿真研究
  • §4.3.5 实验研究
  • §4.4 本章小结
  • 第5章 相关因素对抛物线法电流控制性能的影响与对策研究
  • §5.1 电感内阻和低压侧电压变化的影响
  • §5.1.1 电感内阻的影响
  • §5.1.2 低压侧电压变化的影响
  • §5.2 抛物线信号幅值偏差对控制性能的影响
  • §5.2.1 对开关周期的影响
  • §5.2.2 对电流误差峰值的影响
  • §5.3 抛物线信号幅值自适应校正方法研究
  • §5.3.1 抛物线信号幅值自适应校正控制策略
  • §5.3.2 仿真研究
  • §5.3.3 实验研究
  • §5.4 本章小结
  • 第6章 有源电力滤波器及抛物线法电流控制器应用研究
  • §6.1 并联型有源电力滤波器控制策略研究
  • §6.1.1 并联型APF经典控制策略及建模
  • §6.1.2 APF谐波及无功电流检测的不必要性
  • §6.1.3 APF电源电流直接控制策略
  • §6.2 并联型APF与VSR控制策略的统一性
  • §6.3 并联型APF两种补偿目标的研究和比较
  • §6.3.1 谐波传递理论分析
  • §6.3.2 谐波传递仿真与实验验证
  • §6.3.3 其它性能分析和比较
  • §6.4 本章小结
  • 第7章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读博士学位期间发表的主要论文
  • 附件 A.Parabolic PWM for Direct Current Control of Voltage Source Converters（VSCs）
  • 附件 B.Direct AC Main Current Control of Shunt Active Power Filters-Feasibility and Performance
  • 学位论文评阅及答辩情况表

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