| 【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。 【学位授予单位】：哈尔滨工业大学 【学位级别】：博士 【学位授予年份】：2009 【分类号】：TM461.3 【目录】： 摘要3-5 Abstract5-13 第1章 绪论13-25 1.1 课题研究背景及意义13-14 1.2 三相整流器国内外研究现状14-24 1.2.1 三相整流器拓扑结构的发展14-20 1.2.2 电压同步控制策略的研究现状20-21 1.2.3 输入电流控制策略的研究现状21-23 1.2.4 直流电压控制策略的研究现状23-24 1.3 本文主要研究内容及章节安排24-25 第2章 VIENNA 整流器数学模型及调制方法分析25-45 2.1 引言25 2.2 VIENNA 整流器工作原理分析25-28 2.3 VIENNA 整流器数学模型28-36 2.3.1 abc 坐标系中VIENNA 整流器数学模型28-32 2.3.2 dq 坐标系中VIENNA 整流器数学模型32-34 2.3.3 αβ坐标系中VIENNA 整流器数学模型34-36 2.4 改进的DRCC 调制算法与分析36-44 2.4.1 PODRCC 调制的分析36-39 2.4.2 PDDRCC 调制方法的分析39-42 2.4.3 改进的 POCC 调制方法42-44 2.5 本章小结44-45 第3章 基于BF-PSO 的电压同步优化控制策略45-72 3.1 引言45 3.2 BF-PSO 混合优化算法45-56 3.2.1 粒子群优化算法45-47 3.2.2 细菌觅食优化算法47-52 3.2.3 一种细菌觅食粒子群混合优化算法52-56 3.3 基于BF-PSO 的ANF 优化设计56-63 3.3.1 传统的ANF 分析56-57 3.3.2 一种改进的ANF57-58 3.3.3 改进ANF 的稳定性分析58-61 3.3.4 基于BF-PSO 的优化设计61 3.3.5 仿真分析61-63 3.4 三相EPLL 同步算法63-70 3.4.1 三相PLL 同步算法原理分析63-65 3.4.2 一种改进的三相EPLL65-66 3.4.3 三相PLL 稳定性分析66 3.4.4 相位跟踪能力分析66-67 3.4.5 基于BF-PSO 的优化设计67-68 3.4.6 仿真与分析68-70 3.5 本章小结70-72 第4章 基于FLPR 的电流解耦控制算法设计72-90 4.1 引言72 4.2 传统的电流解耦控制算法分析72-77 4.2.1 dq 坐标系电流解耦控制算法分析72-74 4.2.2 abc 坐标系自适应滞环电流解耦算法分析74-77 4.3 基于模糊的比例谐振的电流控制算法分析77-85 4.3.1 比例谐振控制器的原理分析77-80 4.3.2 比例谐振控制器控制算法分析80-82 4.3.3 比例谐振控制算法的稳态无差特性分析82-83 4.3.4 一种改进的比例谐振控制算法83-85 4.4 仿真与分析85-89 4.5 本章小结89-90 第5章 基于BF-PSO 的直流电压优化控制策略90-110 5.1 引言90 5.2 基于分数阶微积分的PID 控制算法90-97 5.2.1 分数阶微积分的基本理论91-92 5.2.2 分数阶控制系统的描述92-93 5.2.3 分数阶控制系统的离散化方法分析93-97 5.2.4 分数阶PI~λD~μ控制器97 5.3 基于BF-PSO 的分数阶PI~λD~μ母线电压控制算法优化97-104 5.3.1 基于功率平衡的同步小信号电压环模型98-100 5.3.2 分数阶PI~λD~μ控制器参数设计原则100-101 5.3.3 基于BF-PSO 优化的控制参数设计101 5.3.4 仿真与分析101-104 5.4 基于BF-PSO 的电容中点电压平衡控制算法优化104-109 5.4.1 传统的中点电压平衡控制方法分析105 5.4.2 带限幅比例因子的中性点电压平衡控制算法105-106 5.4.3 基于BF-PSO 的优化设计106-107 5.4.4 仿真分析107-109 5.5 本章小结109-110 第6章 VIENNA 整流器控制系统实验设计110-137 6.1 引言110 6.2 系统参数和指标要求110-111 6.3 VIENNA 整流器系统的实验平台111-118 6.3.1 驱动电路设计113-115 6.3.2 输入电感和直流侧输出电容的设计115-116 6.3.3 基于DSP2812 的全数字控制系统设计116-118 6.4 VIENNA 整流器控制系统综合实验验证118-136 6.4.1 基于BF-PSO 优化的电压同步算法实验验证118-121 6.4.2 基于模糊比例谐振的电流解耦控制算法实验验证121-125 6.4.3 基于BF-PSO 的直流电压控制算法实验验证125-132 6.4.4 VIENNA 系统总体实验验证132-136 6.5 本章小结136-137 结论137-139 参考文献139-149 攻读博士学位期间所发表的论文149-151 致谢151-152 |
