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PWM整流器模型预测控制的研究

王涛  
【摘要】:随着我国现代化进程地不断推进,各种工业设备和家用电器的精密程度也越来越高。为了提高生产效率、延长设备的使用寿命,人们对电能质量提出了更高的要求。然而,不论是在工业领域还是日常生活领域都存在大量的非线性负载,非线性负载产生大量的谐波,导致电网功率因数偏低,对电气设备带来了不利的影响。相比较于二极管等不可控整流器,PWM整流器作为一种“绿色”电能变换装置,不仅能够实现网侧电流正弦化,而且其直流侧电压稳定可控,可以从根源上消除谐波源,从而减少电网损耗,提高电气设备的运行效率。本文基于两电平三相电压源型PWM整流器结构,对PWM整流器的控制策略进行了研究。本文对三相电压源型PWM整流器数学模型进行了详细推导,对其控制策略进行了深入的研究。作为一种比较成熟的控制策略,基于电网电压定向的控制策略可以实现良好的稳态性能,但是其动态性能不够理想,PI参数的设计以及调节比较麻烦。为了提高整流器的动态性能,简化控制器参数设计,本文介绍了模型预测控制策略。单矢量FCS-MPC控制策略简单,动态性能良好,但是其开关频率不固定,等效开关频率低,稳态性能较差;双矢量FCS-MPC稳态性能较单矢量FCS-MPC有较大提高,但是其动态响应较差。FCS-MPC在选取最优矢量时将八个矢量都带入整流器数学模型进行计算,这极大地增加了处理器的负担,不利于系统性能的提升。针对这一问题,本文提出了一种简化算法,该算法不需要计算八个矢量的预测电流,从而减少了处理器的运算时间。不论是单矢量FCS-MPC还是双矢量FCS-MPC,功率管的开关频率均不是恒定的。为了实现功率管开关频率恒定,提高整流器的稳态性能,本文提出了一种定频模型预测控制算法,该算法通过计算得出在下一采样时刻作用的电压矢量,利用SVPWM调制算法将电压矢量转换成相应的开关信号,从而实现定频控制。针对模型预测控制算法易受模型参数失配以及外界干扰影响的缺点,本文将扩张状态观测器与模型预测控制相结合,将参数失配引起的模型误差和外界干扰通过观测器进行观测,将观测的结果进行前馈,实时修改系统的数学模型,从而消除参数失配以及外界干扰的影响,实现预测算法的鲁棒控制。本文对于扩张状态观测器的观测误差进行了分析,分析结果表明:扩张状态观测器观测出的扰动与实际值非常接近,由此可看出采用扩张状态观测器来观测扰动是合适的。为了验证算法的有效性,本文做了相关的仿真和实验,仿真和实验结果均验证了本文所提控制方法的有效性。


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