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大功率三电平PWM整流器模型预测控制方法

曹晓冬  
【摘要】:PWM整流器是大功率电力装备接入电网的重要接口,作为发(用)电系统与电网之间的桥梁,其核心控制目标是保持PWM整流器交、直流侧功率平衡。在电能从交流形式转换为特定要求的直流形式的过程中,有一部分能量消耗在PWM整流器自身,即产生功率损耗现象。其中,功率器件开关损耗占据着PWM整流器损耗的主要部分。传统基于状态空间平均模型的PWM整流器电压定向控制(Voltage Oriented Control,VOC)无法满足低开关频率(小于500Hz)时的稳定运行及电能品质。基于此,本文以二极管嵌位型三电平PWM整流器为研究对象,采取有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)方法对其系统建模、预测原理、优化方法以及相关衍生问题展开研究。针对状态空间平均建模法应用于低开关频率PWM整流器建模时的不适用性问题,分析PWM整流系统离散动态事件(功率器件开关函数)和连续时间动态事件(整流器状态函数),并指出上述两者之间的相互混杂、相互作用的内在关系。在此基础上,基于有限状态自动机建立了三电平PWM整流器混杂模型,采取李雅普诺夫(Lyapunov)稳定判据对所建混杂模型进行稳定性分析,同时阐明不同控制取向时PWM整流器运行结果的差异性。针对三电平PWM整流器混杂系统控制问题进行研究,提出了一种三电平PWM整流器FCS-MPC方法,重点围绕模型预测和价值函数优化两部分展开。在分析微分方程泰勒级数展开的基础上,建立了适用于三电平PWM整流系统的高精度离散预测模型。随后,对三电平PWM整流器多个控制目标逐一设计价值函数,并对价值函数中权值系数配置原理进行分析。此外,针对数字处理系统执行FCS-MPC算法时存在的延时问题,提出了一种基于二次预测的延时补偿方法。最后,给出了三电平PWM整流器FCS-MPC方法控制时的性能测试结果,包括:稳态性能、动态性能、开关频率以及与VOC方法对比分析等。针对传统FCS-MPC方法价值函数易陷入局部最优问题进行研究,提出一种基于满意优化的FCS-MPC价值函数设计方法,通过优先级划分方式对多个控制目标和约束逐层优化,可实现三电平PWM整流器多目标和约束的全局最优。针对传统FCS-MPC单步预测的保守性问题,提出一种基于趋势外推的多步长满意优化FCS-MPC设计方法,通过线性外推的方式将满足满意误差范围的开关状态多步预测,可实现多步长满意优化FCS-MPC等效预测时域的有效提升。此外,针对多步预测引起的运算量激增问题,建立完成多步长满意优化FCS-MPC开关序列在线搜索树,并利用分支限界法对多步长满意优化FCS-MPC进行快速寻优。当采取FCS-MPC方法进行PWM整流器控制时,其稳态开关序列存在随机性,从而引起PWM整流器出现网侧低频谐波问题。针对该问题提出了一种三电平PWM整流器选择谐波消除预测控制方法(Selective Harmonic Elimination MPC,SHE-MPC),利用SHE-PWM离线最优解作为FCS-MPC寻优起点,通过价值函数在线修正的方式完成SHE-PWM脉冲时刻修正,并以滚动优化方式完成SHEMPC开关序列输出。此外,当PWM整流器选用LCL滤波器时,由于FCS-MPC、SHE-MPC方法不存在PWM脉冲调制环节,传统虚拟阻抗方法不再适用,文中提出了一种基于虚拟功率注入的FCS-MPC、SHE-MPC阻尼阻抗方法,推导分析了虚拟功率注入与电容支路串联电阻的等效性。同时,实验验证了该方法对于FCS-MPC、SHE-MPC这类无PWM调制环节控制技术的一般适用性。最后,基于2MW背靠背双三电平PWM整流器互馈平台,完成本文研究内容的相关实验验证。


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