基于自抗扰控制的高性能电压型PWM整流器研究与设计

论文摘要

整流器作为一种电力电子变流装置，广泛应用于电力、工业、交通等领域。目前应用中的整流环节大多数采用二极管构成的不控整流或晶闸管构成的相控整流电路对电网注入了大量谐波及无功功率，造成了严重的电网“污染”。采用PWM整流技术可以控制输入电流高度正弦化，和输入电压同相位，实现功率因数为1，并且可以实现直流侧电能的电网回馈，真正实现电能的“绿色变换”，同时解决了谐波和无功功率的问题，得到了学术界广泛的研究与应用。但由于PWM整流器属于多变量、非线性强耦合的系统，虽然采用坐标变换可以实现解耦控制，但是对于系统中的非线性，始终没有很好的办法，因此采用传统PI控制策略很难达到理想的控制效果，动态性能差。本文研究了三相电压型PWM整流器的系统结构及控制目标，基于基尔霍夫电压、电流定律建立了其分别在三相静止和两相同步旋转坐标系下用开关函数描述的数学模型，详细推导了几种模型间的数学变换关系，并从能量守恒的角度对所建模型的正确性进行了必要性验证。针对目前三相电压型PWM整流器动态性能差的特点，采用同步旋转坐标系下基于自抗扰控制的电压外环ADRC控制和电流内环PI控制混合控制策略，对三相电压型PWM整流器的控制方法进行了深入的理论与实验研究。在基于自抗扰控制理论的电压型PWM整流器的控制系统中，将整流器的直流母线电压的输出看作系统扰动，利用自抗扰控制器较强的实时跟踪、扩张状态预测和快速非线性补偿能力提高系统的抗扰动能力。最后，本文设计了一台基于自抗扰控制的电压型PWM整流器实验样机，详细介绍了其主要拓扑结构、控制电路设计和基于TMS320F2812DSP的程序设计结构。利用该样机，对本文设计的基于自抗扰控制的电压型PWM整流器控制算法进行了实验验证。实验结果证明，基于自抗扰理论的控制策略提高了PWM整流器的动态特性，且具有较好的抗负载扰动能力；直流侧输出电压稳定，网侧输入电流正弦化，且功率因数接近1；基于DSP设计方法简单，对工程设计提供了较好的指导价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 三相电压型 PWM 整流器的研究现状
• 1.2.1 三相电压型 PWM 整流器应用研究
• 1.2.2 三相电压型 PWM 整流器模型研究
• 1.2.3 三相 PWM 整流器电流控制策略
• 1.3 自抗扰控制技术及其应用
• 1.4 研究内容和章节结构
• 第2章 三相电压型 PWM 整流器原理及建模
• 2.1 三相电压型 PWM 整流器的工作原理
• 2.1.1 三相电压型 PWM 整流器原理概述
• 2.1.2 三相电压型 PWM 整流器主电路分析
• 2.2 电压型 PWM 整流器数学模型
• 2.2.1 两相坐标系下的低频数学模型
• 2.2.2 两相坐标系下高频数学模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 基于自抗扰理论的 PWM 整流器控制器设计
• 3.1 三相电压型 PWM 整流器控制系统设计思路分析
• 3.2 三相电压型 PWM 整流器自抗扰控制器的设计与实现
• 3.2.1 跟踪微分器设计与实现
• 3.2.2 扩张状态观测器设计与实现
• 3.2.3 非线性状态误差反馈设计与实现
• 3.3 自抗扰控制器的参数整定
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于自抗扰控制的的三相电压型 PWM 整流器控制系统设计
• 4.1 基于自抗扰控制的三相电压型 PWM 整流器控制算法设计
• 4.1.1 三相电压型 PWM 整流器空间矢量算法设计
• 4.1.2 基于自抗扰控制的空间矢量算法设计
• 4.2 三相电压型 PWM 整流器控制系统设计
• 4.2.1 电压外环控制系统设计
• 4.2.2 电流内环控制系统设计
• 4.3 三相电压型 PWM 整流器控制系统仿真
• 4.3.1 仿真建模工具 MATLAB 简介
• 4.3.2 基于 PI 控制的三相电压型 PWM 整流器仿真模型设计
• 4.3.3 基于 ADRC 控制的三相电压型 PWM 整流器仿真模型设计
• 4.4 仿真结果分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于自抗扰控制的 PWM 整流器实现
• 5.1 三相 PWM 整流器拓扑结构的设计
• 5.2 功率电路结构设计
• 5.2.1 交流侧电感的选取
• 5.2.2 直流侧电容的选取
• 5.3 控制电路设计
• 5.3.1 采样电路设计
• 5.3.2 同步电路设计
• 5.3.3 IPM 驱动电路设计
• 5.4 软件设计
• 5.5 实验结果及分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 研究工作总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 作者在攻读硕士学位期间参与的项目及获奖经历
• 致谢