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《湖南大学》 2012年
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三相逆变器及其并联系统预测控制研究

沈坤  
【摘要】:预测控制是一类源于工业生产过程控制的优化控制算法,该算法具有对系统建模精度要求低、鲁棒性强、在线滚动优化以及对系统控制目标及约束综合处理灵活等诸多优势。三相逆变器及其并联系统是当前研究最活跃、应用最广泛的一类变流器系统,具有优良控制性能的三相逆变器及其并联系统是绿色电力系统实施的基本保障。而将两者结合的研究并不多见,本文针对三相逆变器以及三相逆变器并联系统设计预测控制算法,基于预测控制算法对系统模型的鲁棒性以及对系统控制的综合优化性能改善三相逆变器输出电压的波形质量、减少输出电压的跟踪误差;提高三相逆变器并联系统输出电压的控制精度及并联逆变器的均流性能。最后针对DC600V列车辅助供电系统进行逆变器并联技术的工程实践。 采用基于控制增量的模型预测控制算法,进行三相电压型逆变器输出电压跟踪问题的预测控制研究。在dqo旋转坐标系下构建三相三线制电压型逆变器的直流增量模型,以该模型为基础构建控制系统预测模型。依据系统控制要求设计预测控制器的优化性能指标,并给出了最优控制增量的解析表达式,采用根轨迹法确定了预测控制器系数。通过仿真及实验验证三相逆变器模型预测控制算法的有效性及优越性。 分析了传统变流器有限控制集模型预测控制算法(Finite Control Set ModelPredictive Control,FCS-MPC)的保守性,提出一种在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组合并确保在两个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测的FCS-MPC算法(Finite Control Set Model Predictive Control withMulti-Step Prediction, FCS-MPCMSP)。采用理论分析及实时仿真测试,分析FCS-MPCMSP算法的在线计算量。对比仿真及实验表明FCS-MPCMSP算法改善了逆变器输出电压波形质量,提高了系统控制性能。 针对传统变流器FCS-MPC算法未考虑系统建模误差的问题,构建一种基于反馈校正思想的具有建模误差补偿特性的FCS-MPC算法(Finite Control Set ModelPredictive Control with Modeling Error Compensation, FCS-MPCMEC)。在FCS-MPCMSP算法基础上嵌入FCS-MPCMEC算法思想,进行了有、无补偿算法的对比仿真及实验,验证了补偿算法的有效性。 采用基于控制增量的模型预测控制算法,进行三相逆变器并联系统的预测控制研究。在dqo旋转坐标系下构建三相电压型逆变器并联系统的状态空间模型,并以此为基础构建三相逆变器并联系统基于控制增量的预测模型。根据三相逆变器并联系统控制要求设计预测控制器优化性能指标,通过优化性能指标求解及并联逆变器热插拔设计,给出了逆变器并联系统预测控制器结构框图,并采用根轨迹法确定预测控制器的参数。通过仿真及实验对所设计的三相逆变器并联系统模型预测控制算法的优越性及可实现性进行了验证。 将逆变器并联系统的下垂控制与三相电压型逆变器的模型预测控制结合起来,构建三相并联逆变器无互连线预测控制结构。由下垂控制器提供模型预测控制器的参考电压信号,以并联逆变器输出电压对参考电压的跟踪误差构建模型预测控制器的优化性能指标,实现了三相逆变器并联系统的无互连线模型预测控制。 针对现有DC600V列车辅助供电系统在可靠性及系统冗余上的不足,确定了基于PQ(有功和无功)下垂控制逆变器并联技术的列车辅助供电系统方案。给出了系统控制结构及控制量的计算过程,并通过仿真和实验验证了控制方案的可行性及有效性。为进一步改善列车辅助供电系统并联逆变器的均流性能,改进了下垂控制策略,将并联逆变器输出有功功率的积分项引入系统下垂控制策略中。采用小信号分析方法构建并联逆变器功率控制环的小信号模型,应用根轨迹法确定了逆变器并联列车辅助供电系统下垂控制器参数,通过对比仿真及实验验证了改进策略的优越性。最后,基于控制器开发流程的“V”模式,构建基于dSPACE实时仿真器的逆变器并联列车辅助供电系统半实物仿真平台。为逆变器并联列车辅助供电系统的深入研究及系统测试打下了工程基础。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TP273

【参考文献】
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