高功率因數VIENNA整流器控制策略的研究

VIENNA整流器(三相三電平三開關boost整流器)具有功率因數高,輸入電流THD低,開關器件少,開關應力低,可靠性高等特征,對該整流器控制問題的研究具有重要的理論意義和工程價值。 首先,針對VIENNA整流器,提出了一種改進PODRCC方法。該調制方法引入了負載反饋機制,有效解決了輕載和空載輸出電壓不可控的問題。利用狀態空間法,給出了VIENNA整流器在abc靜止坐標系、αβ兩相靜止坐標系和dq兩相旋轉坐標系下的數學模型。通過對同相雙載波補償控制(PDDRCC)和反相雙載波補償控制(PODRCC)兩種方法進行分析,得出PODRCC方法更易于實現且可靠性高。上述內容為后續研究奠定了基礎。 其次,提出了一種基于改進型ANF的三相EPLL控制策略,并用BF-PSO算法對控制器參數進行優化設計。BF-PSO算法將粒子群優化(PSO)算法作為一個變異算子引入細菌覓食(BF)優化算法,以此提高優化算法的搜索能力、搜索精度和搜索速度。在此基礎上,提出了一種基于BF-PSO優化的改進型自適應陷波濾波器(ANF),解決了較大擾動和噪聲情況下獲取單相系統同步電壓信息問題,并利用均值理論對其穩定性進行了分析。針對傳統的三相鎖相環(PLL)難以處理輸入電壓不平衡問題,提出了基于改進型自ANF的三相增強型鎖相環(EPLL),對輸入電壓畸變條件下的EPLL非線性模型進行了推導,并用Lyapunov第二法對該模型穩定性和跟蹤能力進行分析。 然后,提出了基于模糊比例諧振(FLPR)控制的電流解耦控制算法,提高VIENNA整流器輸入電流的跟蹤特性。

對VIENNA整流器的電流解耦控制方法進行分析,得出在αβ坐標系下可實現VIENNA整流器電流控制的解耦。將基于內模原理的比例諧振控制算法應用到電流跟蹤控制環節中,實現了VIENNA整流器的電流無誤差跟蹤控制。為了增強控制系統的魯棒性和抗干擾能力,設計了一個模糊調整器,可根據系統誤差實時地調整比例諧振控制器參數,以取得良好的穩態精度與動態響應速度。 再次,提出基于BF-PSO的分數階控制器,提高了VIENNA整流器直流電壓控制精度。將BF-PSO算法引入到控制器參數的求解當中,解決了分數階控制器參數難以設計問題。然后將所提方法應用到VIENNA整流器直流母線電壓控制中,提高了控制精度,并增強了系統的穩定性。同時,針對三電平變換器固有的電容中點電壓波動問題,設計了基于BF-PSO算法的限幅比例因子的中點電壓控制器,實現了中點電壓的高精度平衡調節,并減少了中點平衡調節對電流THD的影響。 最后,根據VIENNA整流器的性能指標和功能要求,給出了系統的總體設計方案,搭建了基于DSP 2812的控制平臺和功率單元。在此基礎上,應用前文所提方法設計了VIENNA整流器電壓外環、電流內環以及中點平衡的控制器,并加以實現。系統實驗結果表明,各項指標達到了設計要求,驗證了所提控制策略的可行性和有效性。

【學位授予單位】：哈爾濱工業大學

【學位級別】：博士

【學位授予年份】：2009

【分類號】：TM461.3

【目錄】： 摘要3-5

Abstract5-13

第1章 緒論13-25

1.1 課題研究背景及意義13-14

1.2 三相整流器國內外研究現狀14-24

1.2.1 三相整流器拓撲結構的發展14-20

1.2.2 電壓同步控制策略的研究現狀20-21

1.2.3 輸入電流控制策略的研究現狀21-23

1.2.4 直流電壓控制策略的研究現狀23-24

1.3 本文主要研究內容及章節安排24-25

第2章 VIENNA 整流器數學模型及調制方法分析25-45

2.1 引言25

2.2 VIENNA 整流器工作原理分析25-28

2.3 VIENNA 整流器數學模型28-36

2.3.1 abc 坐標系中VIENNA 整流器數學模型28-32

2.3.2 dq 坐標系中VIENNA 整流器數學模型32-34

2.3.3 αβ坐標系中VIENNA 整流器數學模型34-36

2.4 改進的DRCC 調制算法與分析36-44

2.4.1 PODRCC 調制的分析36-39

2.4.2 PDDRCC 調制方法的分析39-42

2.4.3 改進的 POCC 調制方法42-44

2.5 本章小結44-45

第3章 基于BF-PSO 的電壓同步優化控制策略45-72

3.1 引言45

3.2 BF-PSO 混合優化算法45-56

3.2.1 粒子群優化算法45-47

3.2.2 細菌覓食優化算法47-52

3.2.3 一種細菌覓食粒子群混合優化算法52-56

3.3 基于BF-PSO 的ANF 優化設計56-63

3.3.1 傳統的ANF 分析56-57

3.3.2 一種改進的ANF57-58

3.3.3 改進ANF 的穩定性分析58-61

3.3.4 基于BF-PSO 的優化設計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 一種改進的三相EPLL65-66

3.4.3 三相PLL 穩定性分析66

3.4.4 相位跟蹤能力分析66-67

3.4.5 基于BF-PSO 的優化設計67-68

3.4.6 仿真與分析68-70

3.5 本章小結70-72

第4章 基于FLPR 的電流解耦控制算法設計72-90

4.1 引言72

4.2 傳統的電流解耦控制算法分析72-77

4.2.1 dq 坐標系電流解耦控制算法分析72-74

4.2.2 abc 坐標系自適應滯環電流解耦算法分析74-77

4.3 基于模糊的比例諧振的電流控制算法分析77-85

4.3.1 比例諧振控制器的原理分析77-80

4.3.2 比例諧振控制器控制算法分析80-82

4.3.3 比例諧振控制算法的穩態無差特性分析82-83

4.3.4 一種改進的比例諧振控制算法83-85

4.4 仿真與分析85-89

4.5 本章小結89-90

第5章 基于BF-PSO 的直流電壓優化控制策略90-110

5.1 引言90

5.2 基于分數階微積分的PID 控制算法90-97

5.2.1 分數階微積分的基本理論91-92

5.2.2 分數階控制系統的描述92-93

5.2.3 分數階控制系統的離散化方法分析93-97

5.2.4 分數階PI~λD~μ控制器97

5.3 基于BF-PSO 的分數階PI~λD~μ母線電壓控制算法優化97-104

5.3.1 基于功率平衡的同步小信號電壓環模型98-100

5.3.2 分數階PI~λD~μ控制器參數設計原則100-101

5.3.3 基于BF-PSO 優化的控制參數設計101

5.3.4 仿真與分析101-104

5.4 基于BF-PSO 的電容中點電壓平衡控制算法優化104-109

5.4.1 傳統的中點電壓平衡控制方法分析105

5.4.2 帶限幅比例因子的中性點電壓平衡控制算法105-106

5.4.3 基于BF-PSO 的優化設計106-107

5.4.4 仿真分析107-109

5.5 本章小結109-110

第6章 VIENNA 整流器控制系統實驗設計110-137

6.1 引言110

6.2 系統參數和指標要求110-111

6.3 VIENNA 整流器系統的實驗平臺111-118

6.3.1 驅動電路設計113-115

6.3.2 輸入電感和直流側輸出電容的設計115-116

6.3.3 基于DSP2812 的全數字控制系統設計116-118

6.4 VIENNA 整流器控制系統綜合實驗驗證118-136

6.4.1 基于BF-PSO 優化的電壓同步算法實驗驗證118-121

6.4.2 基于模糊比例諧振的電流解耦控制算法實驗驗證121-125

6.4.3 基于BF-PSO 的直流電壓控制算法實驗驗證125-132

6.4.4 VIENNA 系統總體實驗驗證132-136

6.5 本章小結136-137

結論137-139

參考文獻139-149

攻讀博士學位期間所發表的論文149-151

致謝151-152