三相电压型PWM整流器电流预测控制的研究

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不控和半控整流环节对电网注入大量谐波及无功功率造成电网“污染”,而PWM整流器具有网侧电流低谐波、可实现单位功率因数和直流电压可控等优点,成为研究的热点。因预测控制具有动态响应快、鲁棒性强等优点,本文以三相压型PWM整流器(VSR)为研究对象,对预测控制理论在三相VSR中的应用进行了研究。  本文首先分析了三相电压型PWM整流器工作原理,建立三种坐标系下系统数学模型。学习了空间矢量(SVPWM)调制技术,设计了三相VSR交流侧电感及直流侧电容。在两相旋转坐标系下设计了电压外环、电流内环双PI控制的三相电压型PWM整流器。为得到高功率因数,采用电压定向控制。q轴给定电流为零时,三相VSR运行于单位功率因数状态,之后在Matlab/Simulink进行了仿真研究。该控制过程参数整定比较复杂,对开关管使用SVPWM调制方式工作量大。  其次,本文在对传统PI控制研究基础上重点研究了三相VSR电流的模型预测控制(MPC)。由电压外环PI控制的输出信号得到参考电流值;将系统在两相静止坐标系下的数学模型进行离散化,得到预测电流的离散时间模型,对于每一个不同电压矢量,预测下一采样时刻电流值;分析开关函数作用下三相电压型PWM整流器的交流侧电压;选取参考电流和预测电流绝对误差为代价函数,在线计算每一个电压矢量下代价函数大小;选择代价函数最小时交流侧电压对应的开关状态信号作用于系统,实现在线寻优。该控制策略无线性控制器和PWM调制模块,具有控制系统设计简单、电路抗扰动能力强、系统动态过程短等特性。由Matlab/Simulink仿真过程得:MPC控制计算简单,容易数字化实现。  最后,通过仿真对三相VSR的传统PI控制与预测控制两种策略各项性能进行分析比较。结果表明,电流内环采用预测控制器的PWM整流器能够获得更快的电流响应速度,能够实现整流器单位功率因数运行、较小的有功和无功功率波动。同时,直流侧输出电压稳定,网侧电流畸变率低,系统功率因数高。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。
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