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电力电子技术的发展使人们对电能变换和控制的能力越来越强,电能利用的效率也越来越高,对各种电能变换器的研究已经成为热点。但是,电力电子非线性负载也对电网造成了严重的影响,引起了电压和电流谐波、无功损耗、三相不平衡等多种电能质量问题,对用电设备造成了严重危害。三相四线制系统在工业和民用电力系统中广泛应用,其谐波、中线电流和三相不平衡问题日趋严重,造成各种事故。对三相四线制系统中的上述畸变进行补偿具有重要的实际意义,四桥臂有源电力滤波器(APF)是补偿三相四线制系统畸变的理想装置。
有源电力滤波器的控制技术是关键因素之一。目前,随着数字信号处理器(DSP)技术的发展,APF等电力电子装置大多使用数字化控制,但是数字化控制存在的问题是:一方面,虽然数字控制有便于用DSP等可编程器件实现控制方法,使用灵活,实现简单等优点,但延时对数字化控制的性能会造成严重的影响,甚至使系统不稳定;另一方面,建模误差或参数漂移以及干扰等不确定因素也会恶化APF的补偿效果。预测控制是解决以上两个问题的有效途径,论文中提到的预测控制是一个广义的概念,凡是能补偿延时和干扰影响的预测技术本文将它们统称为预测控制。目前,APF预测控制方法的研究并不系统和完善,一些预测控制方法还未在APF中得到应用,一些采用预测控制的APF,其系统性能的分析还不透彻,且各种预测控制的应用场合和适用范围还需要进一步研究。为此,论文在研究了四桥臂APF控制系统的基础上,重点研究了几种预测控制方法在APF电流控制中的应用,包括理论的实现、对延迟的补偿性能、稳定性和鲁棒性等。
首先,论文在研究四桥臂APF电压电流双环控制系统的基础上,提出了在abc坐标下电流环的解耦控制策略,便于直接在abc坐标下设计电流环控制系统;将滑模控制用于电压外环的控制,并针对电源电压或负载的不平衡情况,对控制器进行了改进;研究了四桥臂逆变器的三维电压空间矢量PWM(3D-SVPWM)方法,提出了快速算法,省略了坐标变换,节约了计算时间,并给出了四桥臂逆变器的统一PWM调制策略。
针对常规PI解耦控制受延时影响较大的缺点,基于状态空间理论和重复控制,提出了四桥臂APF电流环的延时一周期比例控制与重复控制结合的复合控制策略,在延时一个控制周期的情况下仍能获得理想的稳态性能;提出了四桥臂APF的增广状态反馈控制,以电流和电流误差的积分作为状态变量并进行状态反馈,结合状态观测器,在指令电流进行两步超前预测后可获得理想的暂态和稳态性能,方法是将Lagrange插值与重复预测结合,前者在暂态时起作用,后者提供稳态时的高精度预测,设计了两者的切换策略。在采用速度较慢的处理器时,上述方法有较强的实际意义。
为了进一步提高控制系统的鲁棒性,提出了四桥臂APF电流环的模型预测控制(MPC)方法。模型预测控制是在内模控制基础上发展起来的,具有鲁棒性强的优点,论文针对APF的特点,对常规的内模控制和模型预测控制做了简化。论文首次将无公共连接点(PCC)电压传感器的内模控制器用于四桥臂APF,节约了成本,但发现其鲁棒性有一定局限,进而将无PCC电压传感器的模型预测控制应用到四桥臂APF,指出了它与常规预测电流控制的本质联系,改变控制器的参数甚至可获得对参数漂移任意高的鲁棒性,与重复控制结合构成的复合控制系统又能使APF获得完美的补偿效果,实用价值很高。
根据四桥臂APF电流环在dq0坐标下是典型的MIMO非线性系统的特点,首次将非线性预测控制方法用于四桥臂APF,设计了基于3种不同性能指标的控制器,对它们进行了分析和比较,探索了它们的物理意义。将扰动观测器引入到基于非线性最优预测控制的APF中,补偿了参数漂移造成的稳态误差,提高了鲁棒性。为非线性控制方法在APF中的研究作了补充。
最后,为了验证上述理论,进行了大量的仿真研究,并制作了小功率的四桥臂APF实验样机,以TMS320F2812 DSP为核心,编写了控制程序,仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。