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三相VIENNA整流器调制技术及非线性控制策略研究

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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
整流器论文  空间矢量调制论文  载波调制论文  零序分量论文  中点电位平衡论文  单闭环控制论文  直接功率控制论文  无源控制论文  滑模控制论文
论文摘要

三电平及多电平变换器具有功率开关管上的电压应力低、输出电流的谐波含量低和交流侧电压变化率(dv/dt)小等优点,特别适合在中、大功率等场合应用。其中,二极管箝位型三电平变换器是应用最广泛的拓扑之一。本文选取二极管箝位型三电平Vienna整流器为研究对象,对其的非线性控制算法、空间矢量调制技术、载波调制技术及中点电位平衡控制方法等方面进行研究。首先,本文对二极管箝位型三电平变换器的调制技术进行深入研究;主要针对目前三电平空间矢量调制的多元化(不同分区的空间矢量调制技术、不同坐标系下的SVPWM技术),无统一性的理论等问题进行研究。本文将多种三电平SVPWM调制进行系统推导行成统一性的理论,便于应用在多电平调制技术上;其次,对三电平空间矢量调制技术与载波调制技术统一等效理论进行深入的研究和分析,从理论上推导任意段数开关序列SVPWM调制技术与SPWM载波调制技术的等效性关系,所研究的调制技术统一等效理论为三电平空间矢量调制技术与载波调制波相互转换提供新思路,最后利用仿真和实验来验证统一等效理论的有效性。对于二极管箝位型三电平拓扑电路而言,中点电位平衡是该类型电路的固有问题,中点电位不平衡是指直流侧上下电容电压不相等,如果不治理该问题会装置本身以及电网带来一系列问题。首先分析中点电位不平衡的机理,建立平均中点电流模型,给出中点电位的具体表达式。为克服二极管箝位型三电平整流器的中点电位平衡控制方面的不足,降低三电平SVPWM技术的复杂程度,以Vienna整流器为例,提出一种改进零序分量的等效空间矢量调制技术,它能够很好的抑制中点电位不平衡,并改善了中点电位平衡的静态以及动态特性。为改善Vienna整流器的运行特性,本文提出一系列的非线性控制算法。首先为简化控制系统设计过程的复杂性和节约生产成本,本文提出基于无电流传感器的单闭环非线性控制策略,该方法缩短了控制器的设计及调试周期;同时本文为丰富Vienna整流器数学模型的多样性,建立该整流器在极坐标系下的数学模型;另外,由于传统双闭环PI控制器参数整定的过程复杂,同时系统的抗干扰性和动态性能很大程度上依赖外环PI控制器的参数调节,为克服上述缺点,本文提出两种混合非线性控制策略:一种为滑模PI直接功率控制策略,内环采用PI调节满足系统的稳态性,外环采用滑模控制算法提高系统的抗干扰性能和动态性能;另一种为无源性控制与滑模变结构控制相结合的混合非线性控制策略,内环采用基于功率模型的无源控制器,外环采用滑模控制器;最后借助仿真和实验平台验证非线性混合控制策略的有效性,实验与仿真结果表明非线性混合控制策略具有好的动态性能和抗干扰性能等优点。滑模变结构控制是解决非线性系统控制问题的重要方法之一,已有大量文献将滑模控制器成功应用在三相整流器中,在前人研究的基础上,并结合直接功率控制(DPC),本文将滑模控制应到Vienna整流器的双闭环中,提出新型双闭环滑模直接功率控制策略,内环采用直接功率滑模控制(DPC-SMC),不需要电网电压的相位信息和同步速旋转坐标变换,具有计算量小,控制结构简单等优点;电压外环采用以电压平方作为反馈量的滑模控制器。本文详细论述该策略的原理和设计过程,包括建立系统变结构模型,选择滑模面,给出滑动模态可达条件和控制率。通过仿真和实验来验证上述控制策略的有效性和可行性。

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摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 三相三电平整流器拓扑结构的研究现状

1.2.1 二极管箝位型三电平整流器

1.2.2 飞跨电容型三电平整流器

1.2.3 新型三电平拓扑整流器

1.3 三电平变换器的脉宽调制技术研究现状

1.3.1 三电平载波调制技术

1.3.2 三电平空间矢量调制技术

1.4 三电平Vienna整流器控制策略的研究现状

1.5 课题研究的意义与创新性

1.6 论文的主要工作及章节安排

1.7 本章小节

第二章 三电平空间矢量与载波调制对等性理论

2.1 引言

2.2 三电平矢量调制技术

2.2.1 基于多种分区的调制技术

2.2.2 基于非正交坐标系的调制技术

2.3 三电平载波调制技术

2.3.1 载波层叠调制法

2.3.2 载波移相调制法

2.3.3 开关频率优化调制法

2.4 三电平SVPWM与载波PWM调制的本质联系

2.4.1 三电平PWM调制波的分解

2.4.2 SVPWM开关序列与载波PWM的对等关系

2.4.3 仿真分析

2.5 本章小结

第三章 基于等效空间矢量的中点电位平衡策略

3.1 引言

3.2 分析中点电位

3.3 基于等效SVPWM的中点电位平衡策略

3.4 仿真与实验

3.5 本章小结

第四章 基于无电流传感器的单闭环控制策略

4.1 引言

4.2 传统双闭环PI控制策略

4.2.1 电流内环调节器设计

4.2.2 电压外环调节器设计

4.2.3 实验结果

4.3 无电流传感器的单闭环控制策略

4.3.1 极坐标状态空间数学模型

4.3.2 无电流传感器的单闭环控制策略

4.3.3 仿真验证

4.4 本章小节

第五章 非线性混合控制策略

5.1 引言

5.2 滑模控制的基本原理

5.2.1 滑模控制器的基本条件

5.2.2 分析抖振问题

5.3 PI滑模混合控制策略

5.3.1 Vienna整流器的功率模型

5.3.2 功率内环PI控制策略

5.3.3 功率外环滑模控制策略

5.3.4 实验与仿真

5.4 无源滑模混合控制策略

5.4.1 设计无源控制器

5.4.2 设计滑模控制器

5.4.3 仿真与实验

5.5 本章小结

第六章 直接功率滑模控制策略

6.1 引言

6.2 基于滑模变结构的双闭环控制系统

6.2.1 设计功率内环滑模控制器

6.2.2 设计电压外环滑模控制器

6.3 三相Vienna整流器的硬件和软件设计

6.3.1 硬件设计

6.3.2 软件设计

6.4 仿真与实验

6.4.1 仿真分析

6.4.2 实验分析

6.5 本章小节

结论

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

附件

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