单相PWM整流器等比例样机主电路参数设计

以单相PWM整流器工作原理为基础,推导了等比例样机主电路参数的设计原则和折算公式,并结合一个具体应用实例,给出了相应计算方法和步骤。利用Matlab仿真软件搭建了实际产品和等比例样机的仿真模型,并选择了几项重要性能指标进行对比仿真,验证了二者的等效性。在此基础上,还搭建了等比例样机实验平台,并进行了性能测试,实测结果与仿真结果具有很好的一致性。仿真及实验证明了等比例试验样机主电路参数计算方法的有效性,具有较高的应用参考价值。

二重化两电平与三电平整流器等效关系的证明

针对目前动车组整流器归一化过程中缺少理论证明的问题,提出二重化两电平与三电平整流器的等效证明方法,基于傅里叶级数和贝塞尔函数,推导了二重化两电平整流器的开关函数表达式,证明了二重化两电平和单相三电平整流器在开关函数、交流侧电压及其谐波分布、直流侧电压的等效性,并考虑了死区效应对等效性的影响。计算和仿真结果表明:在调制波信号反相的条件下,二重化两电平与单相三电平整流器的交流侧电压与谐波分布规律相同,直流侧电压在额定工况、轻载和重载时亦能与给定电压值保持一致,电压波动在3%之内,死区效应不影响2种整流器的等效关系。通过对2种整流器等效性的理论证明,为2种整流器的选择提供理论支撑。

三管两电平整流器等效SVPWM及滑模直接功率策略

针对采用常规PI控制对系统参数变化较为敏感的弊端,在详细分析三管两电平整流器的直接功率控制(DPC)数学模型的基础上,设计了一种基于滑模变结构的直接功率控制策略,详细推导该控制方案,给出具体设计过程;另外针对传统空间矢量调制(SVPWM)存在计算烦琐的不足,探索了一种基于载波调制的简化等效空间矢量调制算法。将基于滑模变结构的直接功率控制策略(SMC)与等效空间矢量调制技术相结合,可以实现开关定频,降低开关损耗,系统在近似单位功率因数下运行。最后通过搭建MATLAB/Simulink仿真和5 kW实验平台进行验证,结果表明两者结合的控制策略不仅设计和实现简单,而且具有较好的鲁棒性和动态性能。

CRH5动车组牵引脉冲整流器自适应优化控制方法研究

针对CRH5动车组牵引主回路脉冲整流器在牵引网压波动下的稳定性问题,提出一种基于自抗扰算法的参数自适应优化控制策略。在CRH5动车组牵引脉冲整流器现采用的dq双环控制结构基础上,针对电流内环采用最速综合fal函数实现控制响应及控制量大小随误差变化自适应调整,基于状态空间方程构建一阶线性自抗扰电压外环控制器以实现对系统扰动的观测及跟踪。由此改善控制器对外部扰动的估计及补偿能力,增强控制器对车网耦合特性变化的适应能力。通过Matlab/Simulink仿真对比分析了基于PID控制和基于参数自适应优化控制的dq电流控制器性能,仿真结果表明,基于参数自适应的dq电流优化控制策略下的整流器直流侧输出电压在启动过程中超调量更小,且在应对网压波动时输出电压波动恢复后的稳态误差小于指标值的1/6,抗干扰能力更强。为进一步验证该控制器应对网压低频振荡的抗扰动效果,在RT-LAB半实物实验平台上搭建动车组-牵引网级联耦合模型对比分析2种控制策略下的牵引网网压波形。结果表明:基于参数自适应的dq电流优化控制更能适应多列动车组同时接入而引发的扰动,抑制牵引网网压大幅度振荡;fal电流环的参数自适应特性能改善控制器动态特性,可根据瞬态误差及时调整控制器响应,且其控制参数适应范围较宽,易于整定。

一种基于改进双二极管脉波倍增电路的串联型24脉波整流器

为了在不增加串联型12脉波整流器中移相变压器复杂度的前提下,有效地抑制整流器的输入电流谐波,该文提出一种基于改进双二极管脉波倍增电路(improved dual-diode pulse-doubling circuit,IDPC)的串联型24脉波整流器。提出的IDPC被安装在整流器的直流侧并由单相自耦变压器、平衡电抗器、2个电容器和2个辅助二极管组成。IDPC中的辅助二极管根据整流器中2个三相整流桥的输出电压和单相自耦变压器绕组电压之间的关系交替导通,使IDPC周期性工作在3种模态下,然后根据交直流侧电压和电流关系将整流器的脉波数从12增加到24,使得输入电流的THD减小为原来的二分之一,有效地抑制输入电流谐波。因IDPC中磁性器件的总容量仅为输出功率的2.35%,辅助二极管的电流应力仅为输出电流的6.8%,提出的方案具有电路结构简单、容量小,成本低和导通损耗小的优点。与类似结构相比,提出的整流器在中高压工业场合具有更好的应用前景。搭建了一台输出功率为1 kW的实验样机,实验结果验证了理论分析的有效性和正确性。

飞跨电容型多电平整流器载波重构调制策略

针对飞跨电容型多电平整流器存在众多冗余开关状态的特性及飞跨电容的电压平衡控制需求,提出一种通用的载波重构调制策略。该策略通过构造多段锯齿形载波来增加调制自由度,在保持与载波同相层叠调制策略相同的线电压谐波性能的同时,还具备载波移相调制策略的飞跨电容电压自平衡特性。仿真与实验结果验证了所提调制策略的有效性。

面向电流源型PWM整流器的双矢量模型预测直接功率控制

电流源型脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)整流器因其网侧存在LC滤波器,系统的控制难度增加。传统直接功率控制策略下的整流器功率波形存在脉动,因模型预测控制具有卓越的动态特性以及直观的控制规律,采用模型预测直接功率控制(Model predictive direct power control,MPDPC)对传统控制策略进行改进。首先建立了三相PWM整流器的数学模型,给出了每个采样周期内的功率变化率,并推导出相邻采样周期之间的功率关系,然后给出基于单矢量的模型预测直接功率控制策略,提出了基于双矢量的模型预测直接功率控制策略,并优选出两个电流矢量,计算在一个采样周期内的作用时间,并对其进行修正。最后,在Matlab/Simulink仿真软件验证了所提控制策略的可行性和有效性。

基于二极管整流器的双极型复合式海上换流站及其控制策略

为提高海上换流站的紧凑型性并降低换流站一次性投入成本,西门子公司提出了基于二极管整流器(diode rectifier,DR)的高压直流输电技术,在此基础上,国内外学者对其控制策略及各种串并联拓扑进行了研究,但仍存在结构复杂、可行性差、运行灵活性低等问题。为此,提出了基于二极管整流器的双极型复合式海上换流站拓扑,正负极分别采用模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)和DR,以充分利用MMC灵活可控和DR体积小、成本低、可靠性高的优点。为降低直流电缆输电损耗,提出了复合式换流站正负极功率平衡控制,将接地极电流控制在零附近,提高了输电效率,可将高压直流电缆所产生的损耗降低67.7%。设计了限功率控制,在发生直流非对称故障期间通过低速通信,可主动对风电场发出功率进行限制,防止了换流站过电流风险,提高了系统可靠性。最后通过PSCAD/EMTDC仿真分析对所提拓扑及其控制策略进行了可行性验证。

一种改进的基于电网幅值跌落的SWISS整流器协调优化控制方法

SWISS整流器因其优越的性能被广泛应用于充电桩、分布式直流电源等场合。其首要的控制目标是维持稳定的直流侧输出电压、正弦且对称的交流侧三相电流以及网侧单位功率因数。然而,当电网出现幅值跌落时,基于传统的控制方法很难同时实现上述3个控制目标。因此,该文分别提出适用于电网幅值跌落的输出电压恒定控制(constant output voltage control,COVC)方法和电流正弦对称控制(sinusoidal and symmetrical current control,SSCC)方法。前者可实现直流侧输出电压恒定无波动,但无法实现网侧电流的正弦且对称。后者可实现网侧电流正弦且对称,但无法实现直流侧电压输出恒定无波动。在此基础上,该文结合这2种控制方法的优势进一步提出一种改进的协调优化控制(improved coordination and optimization control,ICOC)方法,可实现网侧处于单位功率因数的同时,在直流侧输出电压恒定无波动和网侧电流正弦且对称之间进行协调优化,实验结果证明ICOC方法相较于COVC和SSCC具有显著的优势,与该文的理论分析一致。

单相脉冲整流器故障在线智能诊断实验设计

针对高速列车电力牵引系统中单相脉冲整流器的功率器件开路故障和传感器故障,设计了基于数据驱动的故障在线智能诊断实验。首先,对单相脉冲整流器系统进行数学建模,分析功率器件开路故障的故障拓扑和传感器故障的故障机理;然后,基于极限学习机算法和非线性自回归结构设计智能诊断模型,并将故障在线智能诊断实验分为离线训练和在线验证2个阶段;最后,基于RT Box半实物仿真器搭建快速原型控制实验平台,对故障模型和诊断模型进行实验验证。实验结果表明,构建的单相脉冲整流器故障在线智能诊断模型可以在1/4个基波周期内检测到故障的发生,并在3/4个基波周期内识别出具体故障类型。

一种新型三相双频PWM整流器

为了能够抑制开关纹波,同时提高整流器的转换效率,此处提出了一种新型三相双频脉宽调制(PWM)整流器拓扑结构和控制方法。三相双频PWM整流器由功率整流单元和辅助单元组成。功率整流单元以低开关频率将有功功率从电网传输到负载,从而减少开关器件的损耗,提高转换效率。辅助单元以高开关频率运行,其作用是消除功率整流单元产生的电流纹波,改善电能质量。该整流器采用前馈方式消除开关纹波,因此可以避免参考电流的提取和控制带宽的限制。介绍了三相双频PWM整流器的拓扑结构和纹波消除原理,并给出了相应的控制策略。最后,在10kW实验样机上验证了三相双频PWM整流器的性能。

以二极管整流器为例的探索性仿真教学

二极管整流器属于不可控整流器,具有显著的非线性特性,在整流过程中存在许多难以理解的地方和难以发现的问题,属于教学难点。借助Matlab/Simulink仿真分析的灵活性,以二极管全桥整流器为背景探索如何深化仿真分析教学模式,给出具体的探索内容。结果表明,通过深化仿真分析,可以培养学生发现问题、分析问题和探究问题的能力,弥足单纯理论讲解的不足。

不平衡电网下电流源型PWM整流器改进型无差拍控制

三相电流源型PWM整流器运行在电网电压不平衡情况下,引起直流侧及网侧电流存在大量低次谐波,势必对后级变换器供电稳定性、安全性等存在不利影响。针对该问题,首先建立整流器数学模型,推导出不平衡电网下直流侧电压和网侧电流表达式,揭示出系统直流侧和网侧电流产生低次谐波的机理。其次,根据瞬时功率理论设计内环电流参考指令,并利用无差拍控制实现网侧电流对参考电流的跟踪。然而传统无差拍控制存在延时问题,将影响网侧电流的跟随性能,造成电能质量下降。为解决该问题,提出了网侧电流内环改进型无差拍控制,利用两步预测法补偿系统延时。最后,基于Matlab/Simulink平台搭建仿真模型,验证所提控制策略的正确性与有效性。结果表明,所提方法能有效抑制直流侧和网侧电流低次谐波,实现网侧电流正弦化和直流侧电压稳定输出。

抑制采样白噪声干扰的PWM整流器无差拍控制

无差拍控制(DBC)是一种应用于整流器电流内环的预测控制,但该算法对系统参数敏感,当采样受到持续噪声干扰时波形畸变严重。为此,此处提出了一种基于DBC的白噪声抑制算法,实验结果表明,该算法在较大电感参数偏差下能保持稳定,在白噪声干扰下能够显著降低电流畸变率。

基于占空比波表的三相四线整流器控制

三相脉宽调制(PWM)整流器应用广泛。针对三相四线(TPFW)PWM整流器,提出了一种基于占空比波表的电压电流双闭环控制策略。该控制策略电压外环采用波表系数步进调节控制,电流内环采用离散比例积分微分(PID)控制叠加电容电压步进调节均衡控制。该方法能够提高系统功率因数,同时也能抑制整流器输出直流侧电压波动以及实现电容电压均衡。最后在硬件平台上进行实验验证,实验结果表明该控制策略具有抑制输出电压纹波、功率因数高、系统稳定性好等优点。与传统方法相比,该控制方法控制简单,易于工程实践.

Vienna整流器一种包含过调制区域的调制方法

由于功率因数角的存在和电压矢量过调制,Vienna整流器输入电流会发生严重畸变。在此提出一种易于实现且包含过调制的调制方法,进一步扩展了Vienna整流器的运行范围。详细划分了Vienna整流器的线性调制区和过调制区,通过确定不同区域的边界条件及其对应的调制算法,能够有效地降低输入电流总谐波畸变率(THD)。最后通过实验验证了所提调制算法的优越性和理论分析的正确性。

SWISS整流器分数阶PID控制策略

针对SWISS整流器的传统整数阶PID控制策略动态响应速度较慢、鲁棒性较差的问题,提出一种基于分数阶PID的SWISS整流器控制策略。基于SWISS整流器的工作原理建立其小信号模型,得到SWISS整流器的等效传递函数,并设计基于分数阶PID电压控制的双闭环控制结构。为简化分数阶PID的阶次参数设计,采用整数阶PID参数预整定的方法得到参数初值,并利用粒子群算法对分数阶PID控制器参数进行进一步设计优化。仿真和实验结果表明,分数阶PID控制策略下的SWISS整流器发生参考电压突变时电压稳定时间小于7 ms、超调量小于2%,发生负载扰动时电压稳定时间小于4 ms、超调量小于3%,动态性能优于整数阶PID控制策略。

基于非线性扰动观测器的三相PWM整流器滑模控制

针对交流微电网中三相PWM整流器的运行状态易受负载扰动、滤波电容参数摄动影响的问题,本文提出一种基于非线性扰动观测器的三相PWM整流器滑模控制方法。首先,将负载扰动、滤波电容参数摄动等视为集总扰动,构建电压环非线性模型。其次,设计非线性扰动观测器,实现集总扰动的在线估计。为实现主动抗干扰控制和滑模抖振抑制,将估计的集总扰动引入到滑模面中,得到了一种含有扰动估计的新型滑模面。最后,基于滑模控制理论设计电压外环滑模控制器,并采用Lyapunov稳定性理论对其进行了稳定性证明。动态性能测试结果表明,非线性扰动观测器能够快速、准确地对集总扰动进行估计;与双环PI控制相比,所提控制的过渡过程时间减少了60%,电压跌落量减少了54%;滤波电容参数变化时,所提控制的动态性能保持良好。稳态性能测试结果表明,与传统滑模控制和双环PI控制相比,所提控制的电流总谐波畸变率分别减少了70%和44%,同时滑模抖振得到了有效地抑制。测试结果证明了所提控制方法的强抗负载扰动能力和良好的滤波电容参数鲁棒性。

基于T型三电平整流器的改进模型预测功率控制

为解决传统模型预测功率控制(MPPC)的谐波含量高、计算量大、权重因子设计困难等问题,提出了一种改进MPPC。首先使用一种低运算量的最优扇区判断方法,再通过代价函数最小化原则来确定其作用时间。为平衡中点电位(NP-V),将矢量序列分为P型序列和N型序列,它们对NP-V的影响相反,使用一个代价函数选择下一时刻选用的矢量序列类型,从而达到动态平衡NP-V的目的,同时消除了权重因子带来的影响。为提高输出电压的动态响应速度,使用改进滑模控制(SMC)来代替传统MPPC中的PI控制对直流侧电压进行控制。最后,仿真与实验验证了所提控制策略在电网侧电流、直流输出电压、输出功率及算法运算时间方面具有有效性。

基于三矢量的PWM整流器改进模型预测直接功率控制方法

为解决传统模型预测直接功率控制存在的开关频率不恒定、计算量大、共模电压大问题,设计了一种三矢量模型预测直接功率控制方法。该方法通过在单个控制周期内输出三个不同电压矢量,克服了传统方法因连续多个周期输出相同电压矢量造成的开关频率不恒定问题;同时,在两相静止坐标系中,通过优化空间电压矢量图划分方法,采用两个代价函数确定电网电压矢量所在扇区,将算法的遍历次数从27次降至10次,克服了传统方法计算量大的问题;此外,通过去除两个冗余零矢量PPP与NNN,将共模电压抑制在Udc/3以内。最后搭建了5kW实验样机进行实验验证,仿真与实验结果表明,该方法可以有效降低计算量,输出谐波和共模电压抑制效果优于传统方法。