电力电子装置的广泛应用在给电能的变换及应用带来方便的同时,也给电力系统带来了严重的谐波和无功污染。为此,研究具有高功率因数和低输入电流畸变率(Total Harmonic Distortion, THD)的绿色无污染的PWM整流装置已成为电力电子应用技术中的一个重大研究课题。VIENNA整流器(三相三电平三开关boost整流器)具有功率因数高,输入电流THD低,开关器件少,开关应力低,可靠性高等特征,对该整流器控制问题的研究具有重要的理论意义和工程价值。
首先,针对VIENNA整流器,提出了一种改进PODRCC方法。该调制方法引入了负载反馈机制,有效解决了轻载和空载输出电压不可控的问题。利用状态空间法,给出了VIENNA整流器在abc静止坐标系、αβ两相静止坐标系和dq两相旋转坐标系下的数学模型。通过对同相双载波补偿控制(PDDRCC)和反相双载波补偿控制(PODRCC)两种方法进行分析,得出PODRCC方法更易于实现且可靠性高。上述内容为后续研究奠定了基础。
其次,提出了一种基于改进型ANF的三相EPLL控制策略,并用BF-PSO算法对控制器参数进行优化设计。BF-PSO算法将粒子群优化(PSO)算法作为一个变异算子引入细菌觅食(BF)优化算法,以此提高优化算法的搜索能力、搜索精度和搜索速度。在此基础上,提出了一种基于BF-PSO优化的改进型自适应陷波滤波器(ANF),解决了较大扰动和噪声情况下获取单相系统同步电压信息问题,并利用均值理论对其稳定性进行了分析。针对传统的三相锁相环(PLL)难以处理输入电压不平衡问题,提出了基于改进型自ANF的三相增强型锁相环(EPLL),对输入电压畸变条件下的EPLL非线性模型进行了推导,并用Lyapunov第二法对该模型稳定性和跟踪能力进行分析。
然后,提出了基于模糊比例谐振(FLPR)控制的电流解耦控制算法,提高VIENNA整流器输入电流的跟踪特性。对VIENNA整流器的电流解耦控制方法进行分析,得出在αβ坐标系下可实现VIENNA整流器电流控制的解耦。将基于内模原理的比例谐振控制算法应用到电流跟踪控制环节中,实现了VIENNA整流器的电流无误差跟踪控制。为了增强控制系统的鲁棒性和抗干扰能力,设计了一个模糊调整器,可根据系统误差实时地调整比例谐振控制器参数,以取得良好的稳态精度与动态响应速度。
再次,提出基于BF-PSO的分数阶控制器,提高了VIENNA整流器直流电压控制精度。将BF-PSO算法引入到控制器参数的求解当中,解决了分数阶控制器参数难以设计问题。然后将所提方法应用到VIENNA整流器直流母线电压控制中,提高了控制精度,并增强了系统的稳定性。同时,针对三电平变换器固有的电容中点电压波动问题,设计了基于BF-PSO算法的限幅比例因子的中点电压控制器,实现了中点电压的高精度平衡调节,并减少了中点平衡调节对电流THD的影响。
最后,根据VIENNA整流器的性能指标和功能要求,给出了系统的总体设计方案,搭建了基于DSP 2812的控制平台和功率单元。在此基础上,应用前文所提方法设计了VIENNA整流器电压外环、电流内环以及中点平衡的控制器,并加以实现。系统实验结果表明,各项指标达到了设计要求,验证了所提控制策略的可行性和有效性。
