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三相AC-DC矩阵整流器输出电压及功率因数控制策略研究

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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   2016年
关键词
矩阵整流器论文  功率因数论文  滑模控制论文  自适应控制论文  趋近律论文
论文摘要

作为用电设备与电网的接口,整流器广泛应用在通信电源、家用电器、不间断电源、电机驱动变频器、风力发电变换器、蓄能电池充电器等场合。然而,传统的不可控和相控整流技术不但消耗大量的无功功率,而且向电网注入大量的谐波电流,严重影响电网供电效率和质量。由三相AC-AC矩阵变换器演化而来的矩阵整流器,具有正弦电流输入、功率因数可调、能量可双向流动、不需要大容量储能元件、体积小、寿命长等优点,是理想的整流装置。矩阵整流器常用的电流空间矢量调制算法是开环控制,对于网侧电压扰动和内参数的摄动没有任何抑制能力。为了过滤主电路的双向开关产生的高频谐波,矩阵整流器需要在主电路和电网之间安装输入滤波器,使网侧输入电流为平滑的正弦波,但输入滤波器会引起网侧功率因数下降。克服运行过程中各种扰动影响,提高输出电压质量和网侧功率因数成为目前矩阵整流器在工业应用当中急需解决的问题。本文采用理论推导、计算机仿真分析和样机实验验证方法,深入研究矩阵整流器的控制策略。主要研究内容如下:针对矩阵整流器直流输出电压易受干扰等问题,提出一种矩阵整流器直流输出电压滑模控制方法。首先,根据输出滤波器的电路和电流空间矢量调制算法建立系统的数学模型;然后,采用滑模控制策略设计切换函数,根据广义滑模可达性条件,推导3种控制函数的表达式,并分析3种控制函数对抖振的影响;进而,研究矩阵整流器不确定性滑模控制需要满足的匹配条件;最后,在机理分析和理论研究的基础上,进行计算机仿真和样机实验验证。实验结果表明:矩阵整流器直流输出电压稳定、动态响应快,并对扰动和摄动具有较好的鲁棒性。针对输入滤波器会引起网侧功率因数变化等问题,以瞬时功率理论为基础,提出一种矩阵整流器网侧功率因数滑模控制方法。首先,根据矩阵整流器的静态特性,分析无功功率和开环补偿存在的问题,以瞬时功率理论为指导,对网侧功率因数补偿进行分析并建立数学模型;然后,采用滑模控制策略设计切换函数,根据广义滑模可达性条件,推导出2种控制函数的表达式,并分析2种控制函数对抖振的影响;进而,研究功率因数角不确定性滑模控制满足的匹配条件;最后,在机理分析和理论研究的基础上,进行计算机仿真和样机实验验证。实验结果表明:矩阵整流器网侧功率因数滑模控制能够对网侧功率因数角进行精确控制,且输入正弦电流谐波较少。在高目标电压宽负载变化或额定负载宽电压变化等条件下,常规采用2个控制器独立地对输出电压和无功功率进行控制,会使矩阵整流器工作异常。在直流输出电压和网侧功率因数滑模控制的基础上,提出一种自适应滑模控制方法。首先,分析矩阵整流器静态特性和失效机理,建立dq坐标系下小信号扰动线性化模型并设计控制系统;然后,采用自适应控制动态调整滑模控制函数,使得先控制输出电压后补偿网侧功率因数角,保证矩阵整流正常工作;最后,在仿真电路和样机上进行实验验证。实验结果表明:矩阵整流器在额定条件和宽负载变化范围都能正常工作。通过对控制策略的研究,矩阵整流器得到直流的输出电压和单位功率因数,且具有输出电压纹波小、输入电流谐波少和动态响应快等优点。本文的研究成果为矩阵整流器的工业应用提供技术支撑。

论文目录
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摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 矩阵整流器的研究现状

1.2.1 矩阵整流器的拓扑结构

1.2.2 动静态特性

1.2.3 控制策略

1.2.4 网侧功率因数补偿

1.2.5 应用研究

1.3 矩阵整流器控制策略研究的意义

1.4 论文课题的来源及主要研究内容

1.4.1 论文课题的来源

1.4.2 论文主要研究内容

第二章 矩阵整流器调制算法及dq模型分析

2.1 引言

2.2 矩阵整流器电流空间矢量调制算法

2.3 问题描述及分析

2.3.1 非正常输入对直流输出电压的影响分析

2.3.2 输入滤波器对网侧功率因数的影响分析

2.4 矩阵整流器dq模型的建立及其动静态特性分析

2.4.1 矩阵整流器dq模型建立

2.4.2 矩阵整流器dq模型的静态分析

2.4.3 小信号扰动线性化动态模型的建立

2.4.4 小信号扰动线性化动态模型系统分析

2.5 矩阵整流器的设计及仿真电路和实验样机的研制

2.5.1 计算机仿真电路

2.5.2 实验样机的结构

2.5.3 输入电流/电压调理电路

2.5.4 矩阵整流器主电路

2.5.5 控制电路

2.6 仿真验证

2.6.1 调制及网侧功率因数角仿真结果分析

2.6.2 三相输入电压幅值不平衡及非正弦仿真结果分析

2.7 实验验证

2.7.1 调制及网侧功率因数角实验结果分析

2.7.2 网侧三相输入电压幅值不平衡实验结果分析

2.7.3 网侧功率因数开环控制实验结果分析

2.8 本章小结

第三章 矩阵整流器直流输出电压滑模控制策略研究

3.1 引言

3.2 滑模控制概述

3.3 矩阵整流器直流输出电压滑模控制

3.3.1 矩阵整流器直流输出电压PI控制分析

3.3.2 系统数学模型

3.3.3 切换函数及控制函数的设计

3.3.4 广义滑模可达条件

3.3.5 趋近律到达条件

3.3.6 输出滤波器的设计及切换函数常数整定

3.4 矩阵整流器直流输出电压不确定系统的滑模控制

3.4.1 网侧电压受干扰情况

3.4.2 参数摄动情况

3.5 仿真验证

3.5.1 三种控制函数仿真结果分析

3.5.2 切换函数常数取不同值仿真结果分析

3.5.3 受干扰及参数摄动仿真结果分析

3.6 实验验证

3.6.1 三种控制函数实验结果分析

3.6.2 切换函数常数取不同值实验结果分析

3.6.3 不同控制模式动静态性能实验结果分析

3.6.4 不确定性滑模控制实验结果分析

3.7 本章小结

第四章 基于瞬时功率理论的网侧功率因数控制策略研究

4.1 引言

4.2 瞬时功率理论概述

4.3 网侧功率因数补偿分析

4.3.1 功率因数角之间的关系

4.3.2 功率因数角补偿范围分析

4.4 网侧功率因数滑模控制

4.4.1 系统数学模型

4.4.2 基于瞬时功率理论的滑模控制

4.4.3 功率因数角控制

4.4.4 输入滤波器设计

4.5 矩阵整流器功率因数角不确定系统的滑模控制

4.6 仿真验证

4.6.1 开环控制仿真结果分析

4.6.2 滑模控制仿真结果分析

4.6.3 滑模控制不同控制函数仿真结果分析

4.7 实验验证

4.7.1 开环控制实验结果分析

4.7.2 滑模控制不同控制函数实验结果分析

4.7.3 滑模控制网侧功率因数角实验结果分析

4.7.4 不确定性滑模控制实验结果分析

4.8 本章小结

第五章 矩阵整流器自适应滑模控制策略研究

5.1 引言

5.2 自适应控制概述

5.3 问题描述及分析

5.4 自适应滑模控制

5.4.1 系统数学模型

5.4.2 自适应滑模控制

5.5 仿真验证

5.5.1 滑模控制仿真结果分析

5.5.2 自适应滑模控制仿真结果分析

5.5.3 扰动情况下自适应滑模控制仿真结果分析

5.6 实验验证

5.6.1 输出电压和网侧功率因数角滑模控制实验结果分析

5.6.2 输出电压自适应滑模控制实验结果分析

5.6.3 不确定性自适应滑模控制实验结果分析

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

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