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高功率因数VIENNA整流器控制策略的研究

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导师姓名
苏宝库
学科专业
控制科学与工程
文献出处
哈尔滨工业大学   2009年
关键词
整流器论文  全数字锁相环论文  比例谐振控制器论文  细菌觅食优化算法论文  粒子群优化算法论文  分数阶论文
论文摘要

电力电子装置的广泛应用在给电能的变换及应用带来方便的同时,也给电力系统带来了严重的谐波和无功污染。为此,研究具有高功率因数和低输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)的绿色无污染的PWM整流装置已成为电力电子应用技术中的一个重大研究课题。VIENNA整流器(三相三电平三开关boost整流器)具有功率因数高,输入电流THD低,开关器件少,开关应力低,可靠性高等特征,对该整流器控制问题的研究具有重要的理论意义和工程价值。首先,针对VIENNA整流器,提出了一种改进PODRCC方法。该调制方法引入了负载反馈机制,有效解决了轻载和空载输出电压不可控的问题。利用状态空间法,给出了VIENNA整流器在abc静止坐标系、αβ两相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的数学模型。通过对同相双载波补偿控制(PDDRCC)和反相双载波补偿控制(PODRCC)两种方法进行分析,得出PODRCC方法更易于实现且可靠性高。上述内容为后续研究奠定了基础。其次,提出了一种基于改进型ANF的三相EPLL控制策略,并用BF-PSO算法对控制器参数进行优化设计。BF-PSO算法将粒子群优化(PSO)算法作为一个变异算子引入细菌觅食(BF)优化算法,以此提高优化算法的搜索能力、搜索精度和搜索速度。在此基础上,提出了一种基于BF-PSO优化的改进型自适应陷波滤波器(ANF),解决了较大扰动和噪声情况下获取单相系统同步电压信息问题,并利用均值理论对其稳定性进行了分析。针对传统的三相锁相环(PLL)难以处理输入电压不平衡问题,提出了基于改进型自ANF的三相增强型锁相环(EPLL),对输入电压畸变条件下的EPLL非线性模型进行了推导,并用Lyapunov第二法对该模型稳定性和跟踪能力进行分析。然后,提出了基于模糊比例谐振(FLPR)控制的电流解耦控制算法,提高VIENNA整流器输入电流的跟踪特性。对VIENNA整流器的电流解耦控制方法进行分析,得出在αβ坐标系下可实现VIENNA整流器电流控制的解耦。将基于内模原理的比例谐振控制算法应用到电流跟踪控制环节中,实现了VIENNA整流器的电流无误差跟踪控制。为了增强控制系统的鲁棒性和抗干扰能力,设计了一个模糊调整器,可根据系统误差实时地调整比例谐振控制器参数,以取得良好的稳态精度与动态响应速度。再次,提出基于BF-PSO的分数阶控制器,提高了VIENNA整流器直流电压控制精度。将BF-PSO算法引入到控制器参数的求解当中,解决了分数阶控制器参数难以设计问题。然后将所提方法应用到VIENNA整流器直流母线电压控制中,提高了控制精度,并增强了系统的稳定性。同时,针对三电平变换器固有的电容中点电压波动问题,设计了基于BF-PSO算法的限幅比例因子的中点电压控制器,实现了中点电压的高精度平衡调节,并减少了中点平衡调节对电流THD的影响。最后,根据VIENNA整流器的性能指标和功能要求,给出了系统的总体设计方案,搭建了基于DSP 2812的控制平台和功率单元。在此基础上,应用前文所提方法设计了VIENNA整流器电压外环、电流内环以及中点平衡的控制器,并加以实现。系统实验结果表明,各项指标达到了设计要求,验证了所提控制策略的可行性和有效性。

论文目录
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摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 三相整流器国内外研究现状

1.2.1 三相整流器拓扑结构的发展

1.2.2 电压同步控制策略的研究现状

1.2.3 输入电流控制策略的研究现状

1.2.4 直流电压控制策略的研究现状

1.3 本文主要研究内容及章节安排

第2章 VIENNA 整流器数学模型及调制方法分析

2.1 引言

2.2 VIENNA 整流器工作原理分析

2.3 VIENNA 整流器数学模型

2.3.1 abc 坐标系中VIENNA 整流器数学模型

2.3.2 dq 坐标系中VIENNA 整流器数学模型

2.3.3 αβ坐标系中VIENNA 整流器数学模型

2.4 改进的DRCC 调制算法与分析

2.4.1 PODRCC 调制的分析

2.4.2 PDDRCC 调制方法的分析

2.4.3 改进的 POCC 调制方法

2.5 本章小结

第3章 基于BF-PSO 的电压同步优化控制策略

3.1 引言

3.2 BF-PSO 混合优化算法

3.2.1 粒子群优化算法

3.2.2 细菌觅食优化算法

3.2.3 一种细菌觅食粒子群混合优化算法

3.3 基于BF-PSO 的ANF 优化设计

3.3.1 传统的ANF 分析

3.3.2 一种改进的ANF

3.3.3 改进ANF 的稳定性分析

3.3.4 基于BF-PSO 的优化设计

3.3.5 仿真分析

3.4 三相EPLL 同步算法

3.4.1 三相PLL 同步算法原理分析

3.4.2 一种改进的三相EPLL

3.4.3 三相PLL 稳定性分析

3.4.4 相位跟踪能力分析

3.4.5 基于BF-PSO 的优化设计

3.4.6 仿真与分析

3.5 本章小结

第4章 基于FLPR 的电流解耦控制算法设计

4.1 引言

4.2 传统的电流解耦控制算法分析

4.2.1 dq 坐标系电流解耦控制算法分析

4.2.2 abc 坐标系自适应滞环电流解耦算法分析

4.3 基于模糊的比例谐振的电流控制算法分析

4.3.1 比例谐振控制器的原理分析

4.3.2 比例谐振控制器控制算法分析

4.3.3 比例谐振控制算法的稳态无差特性分析

4.3.4 一种改进的比例谐振控制算法

4.4 仿真与分析

4.5 本章小结

第5章 基于BF-PSO 的直流电压优化控制策略

5.1 引言

5.2 基于分数阶微积分的PID 控制算法

5.2.1 分数阶微积分的基本理论

5.2.2 分数阶控制系统的描述

5.2.3 分数阶控制系统的离散化方法分析

5.2.4 分数阶PI~λD~μ控制器

5.3 基于BF-PSO 的分数阶PI~λD~μ母线电压控制算法优化

5.3.1 基于功率平衡的同步小信号电压环模型

5.3.2 分数阶PI~λD~μ控制器参数设计原则

5.3.3 基于BF-PSO 优化的控制参数设计

5.3.4 仿真与分析

5.4 基于BF-PSO 的电容中点电压平衡控制算法优化

5.4.1 传统的中点电压平衡控制方法分析

5.4.2 带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法

5.4.3 基于BF-PSO 的优化设计

5.4.4 仿真分析

5.5 本章小结

第6章 VIENNA 整流器控制系统实验设计

6.1 引言

6.2 系统参数和指标要求

6.3 VIENNA 整流器系统的实验平台

6.3.1 驱动电路设计

6.3.2 输入电感和直流侧输出电容的设计

6.3.3 基于DSP2812 的全数字控制系统设计

6.4 VIENNA 整流器控制系统综合实验验证

6.4.1 基于BF-PSO 优化的电压同步算法实验验证

6.4.2 基于模糊比例谐振的电流解耦控制算法实验验证

6.4.3 基于BF-PSO 的直流电压控制算法实验验证

6.4.4 VIENNA 系统总体实验验证

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间所发表的论文

致谢

个人简历

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