三相电流源型PWM整流器模型预测控制策略研究

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电流源型PWM整流器(Current Source Rectifier,CSR),具有宽范围降压输出,直流短路保护可靠性高,易于并联运行等特点,可广泛应用在直流微电网、数据中心前端整流接口和多电飞机等领域。因此,优化控制策略提高系统稳定性对CSR的长足发展具有重要意义。在众多控制策略中,模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)具有建模直观、动态响应快、易于处理系统约束等优点,逐渐成为电力电子系统控制领域的主要研究方向。本文以CSR为研究对象,对其模型预测控制策略展开分析与研究。首先,根据CSR的拓扑结构和工作模态展开分析,由基尔霍夫电压电流定律推导出CSR在不同坐标系下的数学模型。其次,根据有限集模型预测控制的基本原理和特点,建立了CSR的状态空间预测模型。预测过程中的大量运算,将导致控制器动作延时,采用两步法进行延时补偿后,再根据CSR的控制目标建立相应的代价函数。传统模型预测控制忽略了CSR网侧LC谐振,为抑制谐振,分析了无源阻尼控制方案的有效性。然后,针对传统模型预测控制方案的不足,提出了一些改进策略。为实现CSR直流输出量稳定跟踪参考值,传统模型预测控制中,直流侧采用经典PI控制,存在PI参数整定。为避免复杂PI参数整定,提出了一种混合模型预测控制方案。该方案在CSR交流侧采用有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)、直流侧采用无差拍预测控制(Deadbeat Predictive Control,DBPC)。分析传统模型预测控制的程序计算负担来源,提出了一种直接利用输入电流矢量建立代价函数的预测方案,减小了程序计算负担。同时,在代价函数中增加开关频率约束项,降低开关频率,减少开关损耗。采用无源阻尼控制方案会增加系统的电能损耗。因此,提出一种适用于混合模型预测控制的有源阻尼方案。该方案利用CSR网侧电流和交流侧电容电压求解的输入电流矢量建立代价函数,抑制CSR交流侧LC谐振的同时提高电能转换效率。设计了一种状态观测器,实时观测CSR交流侧电容电压,减少了电压传感器的使用,降低了系统设计成本。最后,通过Matlab/Simulink平台搭建系统仿真模型,验证了所提控制策略的可行性。搭建了一台三相电流源型PWM整流器实验样机,对所提控制策略进行实验验证。实验结果表明,电网平衡条件下所提控制策略具有良好的稳态和动态性能;在电网电压变频过程中,所提控制策略仍然具有良好的动态性能。
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