电流型PWM整流器模型预测控制研究

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按照整流器的拓扑结构划分,PWM整流器可以分为电压型和电流型两种。相比于电压型PWM整流器(Voltage Source Rectifier,VSR),电流型PWM整流器(Current Source Rectifier,CSR)网侧存在LC滤波环节,容易产生谐振,控制较为复杂,并且电感储能效率低,因此研究和应用相对较少。CSR是基于Buck原理的变换器,能很好地补充VSR不适用的应用场合。同时随着算法和开关器件的成熟,尤其是随着超导储能技术的成熟,解决了电感储能效率低下的问题,CSR逐渐获得了越来越多的关注。  本文主要研究了模型预测控制算法(Model Predictive Control,MPC)在CSR中的应用。MPC的核心是以系统模型为基础,通过优化性能指标获得最优控制量,具有很好的控制性能,已经获得广泛应用。算法中包含了过去,当前以及将来时刻的信息,理论上要优于传统的PI控制算法。MPC算法在CSR中的应用已经有部分研究,但是都存在比较明显的缺陷,本文中提出的MPC算法具有更好的模型精度和适应性。  文中对于MPC算法主要做了两部分工作:1.以CSR二阶模型为基础,提出了一种模型精度更高的改进型MPC控制算法;2.为了改善动态性能和谐波特性,进一步又提出了稳态偏差校正的MPC控制算法。在改进型MPC控制算法中,首先根据CSR在dq0旋转坐标系下的数学方程,建立了增量式预测控制模型;根据系统的控制要求设计控制器的优化性能指标函数,该函数综合考虑了系统误差和控制增量的影响,通过最优化求解性能指标函数就能得到预测控制的增量表达式。在稳态偏差校正的MPC控制算法中,系统的工作变量被分解成稳态工作变量和偏差工作变量两部分,分别建立稳态状态方程和偏差状态方程。其中偏差状态方程采用MPC控制算法,获得偏差控制量用作稳态控制量的补偿。该算法动态响应迅速,稳态特性优良,控制参数简单。此外,文中对CSR的调制方式也进行了详细的研究。为验证算法理论的正确性,文中首先搭建了基于MATLAB/Simulink的仿真模型,完成系统控制参数的测试验证,然后搭建了一台1kW能量等级的实验样机进行上机实验验证。仿真和实验结果都证明了算法的正确性和可行性。
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