基于直接功率控制的三相PWM整流器研究

论文摘要

三相电压型PWM整流器具有可实现单位功率因数控制、公用电网谐波抑制以及能量可双向流动等优点,如今已被广泛地应用于风力发电、无功补偿等领域。PWM整流器的非线性控制已成为电力电子领域的研究热点问题。近年来,一些学者将三相电路瞬时无功功率理论应用到三相电压型PWM整流器控制中,也就是所称之的“直接功率控制”。它具有控制结构简单、动态响应快以及表达直观等诸多优点。目前,在众多学者研究的内容中,对开关器件等效电阻不确定、电感电阻不确定、网侧频率不确定以及外环PI调节器抗负载扰动差的情况少有讨论。交流侧等效电阻的不确定性、网侧频率不确定性会带来稳态误差问题,从而影响整流器的动态特性和降低整流器的效率。本文基于基尔霍夫定律分析三相电压型PWM整流器结构得到其数学模型;为便于控制系统设计中消除非独立的状态变量,本文对得到的模型进行了相应的旋转dq变换和静止DQ变换;同时,文中基于瞬时功率理论对相应坐标系下三相电压型PWM整流器模型进行重构,得到了相应坐标系下的直接功率控制模型。根据多输入输出反馈线性化定理分别在旋转dq坐标系和静止DQ坐标系下进行了控制系统设计,并引入直流电压检测,改进了外环PI控制器。最后,针对参数不确定问题,本文根据-增益干扰抑制定理对静止DQ坐标系下的模型进行了再设计,提出了三相PWM整流器的自适应跟踪控制。这种方法有效地解决了交流侧等效电阻不确定、网侧频率不确定带来闭环极点偏移和稳态误差等问题。本文有效地解决了三相电压对称情况下,三相电压型PWM整流器的负载扰动以及交流侧等效电阻不确定、网侧频率扰动的问题。本文在Matlab/Simpower平台上进行了仿真验证,并对所设计的非线性控制策略及其控制效果进行了比较分析。同时为了进行实物验证,本文设计了基于DSP的PWM整流器控制系统。实验结果证明,本文所设计的自适应跟踪控制策略能够控制整流器达到功率因数0.9955。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 PWM整流器概述
• 1.2.1 PWM整流器的应用
• 1.2.2 PWM整流器建模
• 1.2.3 PWM整流器控制策略研究
• 1.2.4 目前PWM整流器研究的局限
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 三相电压型PWM整流器的建模
• 2.1 三相PWM整流器的建模
• 2.2 静止DQ（αβ ）坐标变换
• 2.3 旋转dq坐标变换
• 2.3.1 dq坐标系下的数学模型
• 2.3.2 两坐标系下模型的比较分析
• 2.4 模型验证
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于瞬时功率理论的PWM整流器模型重构
• 3.1 瞬时功率理论
• 3.1.1 瞬时功率的定义
• 3.1.2 有功轴、无功轴的关系
• 3.2 三相电压型PWM整流器的瞬时功率模型
• 3.2.1 静止DQ坐标系下的瞬时功率模型
• 3.2.2 旋转dq坐标系下的瞬时功率模型
• 3.2.3 不同坐标系下瞬时模型比较分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 PWM整流器控制系统的设计
• 4.1 预备知识
• 4.2 旋转dq坐标系下控制系统设计
• 4.2.1 内环控制器设计
• 4.2.2 外环控制器设计
• 4.2.3 仿真实验
• 4.3 静止DQ坐标系下控制系统设计
• 4.3.1 内环控制器设计
• 4.3.2 外环控制器设计
• 2 -增益干扰抑制定理的内环控制器再设计'>4.3.3 基于L₂-增益干扰抑制定理的内环控制器再设计
• 4.3.4 仿真实验
• 4.3.5 两坐标系下控制系统设计的比较
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于DSP的控制器设计与实物实验
• 5.1 硬件设计
• 5.2 实验平台
• 5.3 软件设计
• 5.4 PWM整流器实物实验
• 5.4.1 旋转dq坐标系下精确反馈线性化控制实物实验
• 5.4.2 静止DQ坐标系下自适应跟踪控制实物实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢