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电流型PWM整流器控制策略及应用技术研究

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导师姓名
刘和平
学科专业
电气工程
文献出处
重庆大学   2015年
关键词
电流型整流器论文  电能质量论文  有源阻尼论文  数字控制论文  电池充电论文
论文摘要

PWM整流器按照直流侧电源特性可分为电压型整流器(VSR)和电流型整流器(CSR)。因CSR具有功率因数可调、网侧谐波电流抑制、电流直接控制以及降压输出等优点,已被应用于如超导储能、电池组充电、有源前端、电机驱动等场合。随着功率器件与磁性材料技术的不断发展,三相CSR的效率问题将得以解决,因此三相CSR将获得更广阔的发展空间与应用前景。论文针对三相CSR的特性、控制策略以及参数设计等展开深入研究,主要包括以下几方面内容:三相CSR被广泛应用的主要障碍之一是其相对较高的功率损耗,论文对两种电动汽车非隔离式充电拓扑,即三相CSR和VSR+Buck进行效率分析与比较。首先,分析了空间矢量调制下两种拓扑的换流过程与损耗特性,根据厂家提供的功率器件特性数据,基于曲线拟合理论计算出系统的开关损耗。通过对变换器开关损耗、导通损耗以及滤波器损耗的计算,形成了一套完整的PWM整流器损耗计算方法,为以后三相CSR的设计提供了重要的工程依据。结果表明:当额定输出为10.5k W(350V/30A)时,三相CSR的效率优于VSR+Buck拓扑,从而修正了大家对三相CSR效率低下的误解。论文详细分析了三相CSR正弦脉宽调制和空间矢量调制技术,考虑到输出侧并联二极管的情况,简化了二-三逻辑的变换中的逻辑分配电路。在此基础上,给出了一种电流型SVPWM的简化调制算法,省去了坐标变换和三角函数计算,提高了运算速度。基于三相CSR拓扑,提出一种以极化电压作为控制量的可变充电电流模糊控制策略,包括变恒流与恒压两种充电模式。针对变恒流模式,引入电池二阶Thevenin电路模型,并根据实验数据构建电池在不同充电电流下的极化电压与SOC的关系曲线;将极化电压及其变化率作为输入量,利用模糊控制器推导出下一时刻的参考充电电流,从而降低整个充电过程中的平均极化电压;当电池电压升至截止电压时,三相CSR充电系统转为恒压模式。因此,该系统能够在保证充电速度的同时,有效增加电池的循环寿命。针对变恒流和恒压两种模式,基于三相静止坐标系建立了具有功率因数延迟角自调节能力的间接电流控制策略。在频域内对电流内环、电压外环控制器参数进行优化配置,使得系统在两种控制模式下,均能实现单位功率因数以及网侧电流正弦化。论文从瞬时功率理论着手,对三相CSR中瞬时能量流进行分析,在两相静止坐标系下,提出了一种电网电压定向的三相CSR功率控制策略。详细研究了电流内环比例谐振控制器各参数对其稳定性、鲁棒性以及动态性能的影响,并根据性能指标要求确定系统参数,由于该策略无需旋转坐标变换、锁相环和前馈解耦等环节,可有效避免因相位检测误差以及解耦不彻底所带来的问题。采用频域法对电流内环开环传递函数进行研究,针对静止坐标系下电流内环开环低频增益对系统性能的限制,提出一种电流内环级联滞后补偿方法。为了实现数字控制,将控制模型进行离散化处理,并在离散域中设计控制器参数。另外,控制策略的实现采用基于模型的软件设计方法,通过建立Simulink算法模型,实现控制算法与代码的统一,从而加快了系统的验证进程。仿真和实验结果表明:所提出的控制方法具有良好的动、静态性能。由于电流外环与运行工作点有关,针对电池组容性负载,提出了一种电流外环开关选择控制器,根据负载电动势并依照运行工作点与控制器参数之间的映射法则,选择最佳的外环控制器参数,从而改善系统在宽电压、电流输出时的性能。利用前馈解耦控制策略,在旋转坐标系下建立了三相CSR多环路控制的线性大信号数学模型。为了有效抑制整流器输入侧LC滤波器产生的并联谐振,引入电容电压反馈有源阻尼控制环路。基于频域法对含有源阻尼控制、延迟环节的电流内环进行分析,并利用Matlab中单输入-单输出(SISO)设计工具,优化内环控制器零点位置与环路增益,以兼顾系统动态响应与稳定性。仿真和实验证明了控制策略的正确性和可行性。论文最后对全文内容进行了总结,对电流型PWM整流器后续的研究工作进行了展望。

论文目录
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中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 选题的背景与意义

1.2 电流型PWM整流器的研究现状

1.2.1 控制策略的研究

1.2.2 拓扑结构的研究

1.3 电流型PWM整流器的应用前景

1.3.1 超导储能系统

1.3.2 静止同步补偿

1.3.3 有源电力滤波器

1.3.4 直流配电系统

1.3.5 动力电池组充电

1.4 本文研究内容和主要工作

2 三相CSR与VSR效率比较

2.1 引言

2.2 三相CSR系统损耗分析

2.2.1 功率器件导通损耗

2.2.2 功率器件开关损耗

2.2.3 直流侧电感损耗

2.2.4 交流滤波电感损耗

2.3 三相VSR+BUCK系统损耗分析

2.3.1 三相VSR损耗

2.3.2 Buck变换器损耗

2.4 本章小结

3 三相静止坐标系下CSR控制策略

3.1 引言

3.2 三相CSR调制技术

3.2.1 三相CSR正弦脉宽调制

3.2.2 三相CSR空间矢量调制

3.2.3 改进型空间矢量调制

3.2.4 实验结果验证

3.3 三相静止坐标系下CSR建模与控制策略

3.3.1 三相静止坐标系下CSR数学模型

3.3.2 三相静止坐标系下CSR控制策略

3.4 主电路参数设计

3.4.1 交流滤波器参数设计

3.4.2 直流侧滤波电感参数设计

3.5 三相CSR间接电流控制改进策略

3.5.1 功率因数补偿策略

3.5.2 电池充电控制策略

3.5.3 控制环路设计

3.6 仿真和实验

3.6.1 仿真结果分析

3.6.2 实验结果分析

3.7 本章小结

4 两相静止坐标系下CSR功率控制策略

4.1 引言

4.2 PWM整流器瞬时功率控制策略

4.2.1 两相静止坐标下CSR数学模型

4.2.2 瞬时功率理论

4.2.3 两相静止坐标系下的瞬时功率控制策略

4.3 谐振抑制策略

4.3.1 无源阻尼法

4.3.2 有源阻尼法

4.3.3 电容电压反馈有源阻尼法

4.4 控制器设计

4.4.1 电流内环控制器设计

4.4.2 电流外环控制器设计

4.4.3 参数变化对系统性能的影响

4.5 控制算法实现

4.6 系统仿真与实验

4.6.1 仿真验证

4.6.2 实验验证

4.7 本章小结

5 旋转坐标系下CSR多环路控制策略

5.1 引言

5.2 三相CSR系统建模与控制

5.3 前馈解耦与谐振抑制

5.3.1 前馈解耦控制策略

5.3.2 谐振抑制策略

5.4 控制器设计

5.4.1 电流内环控制器设计

5.4.2 外环控制器设计

5.5 系统仿真与实验

5.5.1 仿真验证

5.5.2 实验验证

5.6 本章小结

6 总结及展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

附录

A. 攻读博士学位期间发表的论文

B. 攻读博士学位期间参研的科学项目

C. 攻读博士学位期间获得的发明专利

D. 全国性大赛获奖情况

E. 脉冲测试法

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