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VIENNA整流器关键技术问题研究

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导师姓名
谢运祥
学科专业
电力电子与电力传动
文献出处
华南理工大学   2015年
关键词
整流器论文  空间矢量调制论文  无源控制论文  滑模变结构控制论文  谐振控制论文
论文摘要

随着电力电子装置在电能变换领域中的广泛应用,给电网带来了很大的谐波污染。在这些装置中,整流器占了大部分。因此,高功率因数、谐波含量低的整流装置及其控制策略是目前研究的热点问题。其中,VIENNA整流器因开关管数量大为减少、功率因数高和电流谐波含量低、桥臂开关管无死区电压、控制电路简单等优点而引起了国内外学者对其拓扑结构及控制策略的广泛关注。VIENNA整流器是一种优秀的三电平拓扑结构,是提高功率因数的重要技术手段,对其控制策略进行深入研究,可以进一步提高VIENNA整流器性能指标。论文主要从VIENNA整流器的空间矢量调制、电流控制、电网不平衡状态下的控制方案等关键性问题进行了研究,提出了解决问题的新思路与策略。论文主要完成了以下的工作:(1)简要分析了VIENNA整流器的工作过程及数学模型,为论文所研究的控制策略提供了理论依据。(2)简要分析了VIENNA整流器空间电压矢量的分布及其对中点电压的影响,对VIENNA整流器中点电压不平衡机理进行了理论分析。证明了采用传统SVPWM调制算法的VIENNA整流器存在3倍基波频率的低频振荡;而且当调制度M比较大并且功率因数较低时,由中矢量引起的中点电压不能完全进行平衡控制。针对传统SVPWM调制算法的不足,提出了VIENNA整流器采用虚拟空间矢量调制算法。该算法可以在全调制度和负载功率因数范围内对电容电压进行平衡控制,但该算法增加了开关次数,导致损耗变大。综合这两种算法的不足,提出一种混合的空间矢量调制方法,充分考虑传统SVPWM调制算法及虚拟空间矢量调制策略优点与不足。同时,提出了一种基于准确补偿控制与滞环控制相结合的VIENNA整流器中点电位优化算法。(3)分析了基于PI算法的VIENNA整流器电流控制策略,从理论上分析了该算法的局限性。由于VIENNA整流器是一种强耦合的非线性系统,使用PI算法的VIENNA整流器比较难达到理想的控制效果,尤其是在动态特性方面。针对这一问题,提出了VIENNA整流器的无源性控制,建立了VIENNA整流器的EL模型与PCHD模型,并分别在EL模型采用无源滑模变结构控制算法、在PCHD模型中采用IDA-PB算法。分析、讨论了VIENNA整流器d轴参考电流的3种产生方式,即根据能量平衡原理来计算获得、利用PI算法的电压外环来获得、利用滑模变结构控制算法的电压外环来获得。对电压外环采用PI算法的动态特性进行了理论分析,当VIENNA整流器在启动或发生负载突变等动态变化时,PI控制器的参数跟直流侧输出电压值、d轴电流的变化率都有关,故PI控制器的动态特性比较差。为了满足系统对动态特性及鲁棒特性的要求,提出了适用于VIENNA整流器电压外环的滑模变结构控制策略。对所提出的各种控制算法进行了仿真与实验验证,其中的电流内环采用无源滑模变结构控制、电压外环采用滑模变结构控制的策略能很好地实现控制性能,特别是在系统启动、负载突变等工况时动态特性好,鲁棒性强。(4)从理论上分析了电网电压不平衡对VIENNA整流器运行所产生的影响,分析了常规的功率控制方法。提出了抑制VIENNA整流器交流负序电流、直流侧电压2次谐波的控制方法,并给出了电网电压不平衡状况下VIENNA整流器正负序电流内环独立控制的方法。接着,提出一种新型的电网不平衡状态下VIENNA整流器瞬时功率分析方法,提出了αβ坐标系下的电网侧功率控制、整流器输入侧功率控制策略下的参考电流计算的新型方法,并设计了基于比例谐振滑模变结构控制的VIENNA整流器的控制器。

论文目录
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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 常用三相三电平整流器的主要拓扑

1.2.1 二极管箝位型三相三电平整流器

1.2.2 飞跨电容箝位型三相三电平整流器

1.2.3 VIENNA整流器

1.2.4 各种电路结构性能对比

1.3 VIENNA整流器调制方法的研究现状

1.3.1 基于 αβ 坐标系下VIENNA整流器SVPWM方法

1.3.2 基于两电平空间矢量理论的VIENNA整流器简化SVPWM方法

1.3.3 基于载波调制的VIENNA整流器调制方法

1.3.4 3种调制方法的对比

1.4 VIENNA整流器控制策略的研究现状

1.4.1 3种坐标系下的VIENNA整流器典型控制结构

1.4.2 VIENNA整流器控制策略的研究现状

1.5 论文的主要研究内容和研究成果

1.5.1 论文的主要研究内容

1.5.2 论文的主要研究成果

第二章 VIENNA整流器拓扑与数学模型

2.1 引言

2.2 VIENNA整流器的工作过程分析

2.3 VIENNA整流器的数学模型

2.3.1 VIENNA整流器在三相静止abc坐标系下的数学模型

2.3.2 VIENNA整流器在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型

2.3.3 VIENNA整流器在两相正交静止 αβ 坐标系下的数学模型

2.4 本章小结

第三章 VIENNA整流器空间矢量分布与调制算法

3.1 引言

3.2 VIENNA整流器空间电压矢量分布及其对中点电压的影响

3.2.1 VIENNA整流器空间电压矢量分布

3.2.2 基本矢量对中点电压的影响

3.3 VIENNA整流器传统空间矢量脉宽调制算法

3.3.1 空间矢量脉宽调制算法基本原理

3.3.2 中点电压波形振荡理论分析

3.4 基于虚拟空间矢量的VIENNA整流器空间矢量脉宽调制

3.4.1 虚拟空间矢量的定义

3.4.2 虚拟矢量分区方法

3.4.3 虚拟空间矢量的选择

3.4.4 虚拟矢量作用时间计算与作用序列

3.5 基于混合空间矢量调制的VIENNA整流器脉宽调制

3.5.1 VIENNA整流器的调制模型

3.5.2 传统SVPWM调制方法与虚拟空间矢量调制方法的切换

3.6 VIENNA整流器中点电位平衡算法

3.6.1 基于补偿控制的VIENNA整流器中点电位平衡算法

3.6.2 基于滞环控制的VIENNA整流器中点电位平衡算法

3.6.3 基于准确补偿控制与滞环控制相结合的中点电位平衡优化算法

3.7 仿真与实验验证

3.8 本章小结

第四章 VIENNA整流器电流控制策略

4.1 引言

4.2 基于PI算法的VIENNA整流器电流控制策略

4.2.1 VIENNA整流器电流内环状态前馈解耦

4.2.2 基于PI算法的电流内环控制器设计

4.2.3 VIENNA整流器PI算法分析

4.3 基于无源性的VIENNA整流器电流控制策略

4.3.1 无源性控制的基本理论

4.3.2 基于EL模型的VIENNA整流器无源滑模变结构控制

4.3.3 基于PCHD模型的VIENNA整流器IDA-PB控制

4.4 VIENNA整流器电流内环d轴参考电流的确定

4.4.1 基于功率平衡理论的d轴参考电流确定方法

4.4.2 基于PI算法电压外环的d轴参考电流确定方法

4.4.3 基于滑模变结构控制电压外环的d轴参考电流确定方法

4.5 仿真与实验验证

4.5.1 仿真分析

4.5.2 实验验证

4.6 本章小结

第五章 电网不平衡状态下的VIENNA整流器

5.1 引言

5.2 电网电压不平衡对VIENNA整流器运行的影响

5.3 电网不平衡状态下VIENNA整流器常规的控制策略

5.3.1 电网不平衡状态下VIENNA整流器网侧功率

5.3.2 电网不平衡状态下VIENNA整流器正负序分量的提取

5.3.3 电网不平衡状态下VIENNA整流器常规控制策略

5.4 电网不平衡状态下VIENNA整流器比例谐振滑模控制策略

5.4.1 两相正交静止 αβ 坐标系下VIENNA整流器瞬时功率分析

5.4.2 电网不平衡状态下VIENNA整流器参考电流的计算

5.4.3 比例谐振控制器设计

5.4.4 有功功率指令p_0~*的计算

5.4.5 电网不平衡状态下VIENNA整流器整体电路设计

5.4.6 仿真与实验验证

5.5 本章小结

结论

1. 主要结论与创新点

2. 后续研究工作展望

参考文献

附录:中英文对照

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

附件

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