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。

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。

双闭环控制的三相电压型PWM整流器的研究

针对传统的不控整流电路中网侧电流谐波很大、晶闸管相控整流电路中深控时网侧功率因数低和闭环控制时动态响应慢等问题,设计出一种引入脉冲宽度调制技术的三相电压型整流器。在完成三相电压型整流器的电压外环电流内环的双闭环控制系统设计的基础上,对其进行了仿真实验。仿真结果表明,与不控或相控整流电路相比,该三相电压型PWM整流电路中,不仅输入电流的谐波大大减小,电能可双向流动,能够实现整流和逆变状态下的单位功率因数运行,还可较好地抑制负载突变时直流侧电压的波动,从而显著提高系统的抗扰能力,真正实现绿色环保和高效节能的高度结合。

三相CSR非线性和有源阻尼复合控制研究

三相电流型PWM整流器(CSR)可以实现直流侧的调压调功,而且能够实现网侧电压电流同相位,减少网侧谐波含量。针对三相CSR的非线性耦合系统进行输入输出精确线性化,为了提高电流跟踪特性和鲁棒性并且抑制网侧LC滤波器的谐振尖峰,设计了非线性和有源阻尼复合控制器。通过Matlab/Simulink进行仿真,并且搭建了基于三相CSR的感应加热电源的实验样机对以上控制策略进行验证,结果证明该控制算法的有效性和合理性。

直接功率控制下的VSR和CSR驱动负载特性对比研究

本文以比例谐振控制电流内环的电压型整流器(VSR)和电流型整流器(CSR)为研究对象,在直流侧电压平方为外环的VSR系统基础上,提出了以直流侧电流平方为外环的CSR控制结构。给出了两种系统的闭环传递函数及数学表述形式,通过对比分析,研究了最优阻尼系数下的自然振荡频率与负载以及PI调节器参数的函数关系及变化趋势,得出以稳、动态性能最优为目标的两种系统结构对负载的适应性,并给出系统设计中拓扑结构的选择依据和方法,从而简化设计流程,缩短调试周期。在数学推导基础上,搭建了仿真模型,并代入实际系统的参数进行了模拟验证,证明了结论的正确性。

基于直流侧混合电压谐波注入的低谐波串联36脉波整流器

为满足整流器高电压输出和提升串联12脉波整流器谐波抑制能力,提出一种使用直流侧混合脉波倍增技术的低谐波串联36脉波整流器。基于隔离型串联12脉波整流器,在其直流侧设置混合电压谐波注入电路且负载端并联滤波电容,可同时抑制交、直流侧谐波,实现低谐波运行。混合谐波注入电路参与调制两个整流桥间电流和电压波形,最终使交流侧输入电压阶梯数由12提升至36。该文分析所提36脉波整流器工作机理,设计注入变压器最优电压比、功率管IGBT导通角及其控制电路,研究正常状态下和IGBT故障下整流器的运行特性,并使用硬件在环(HIL)测试系统验证了理论分析的正确性。实验结果表明,所提整流器器件利用率高、谐波含量低,IGBT故障下具备鲁棒性强、输出电压增益高的特点,可应用于高电压、高功率变流场合。

三相电流型整流器的线性自抗扰控制

针对传统电流型整流器采用双闭环比例积分控制器(PI)控制存在输出超调较大,系统抗干扰能力差,响应时间过长的问题,采用线性自抗扰控制策略,利用线性扩张状态观测器(LESO)对电流型整流器的扰动进行观测和补偿。通过对电流型整流器的数学模型以及线性自抗扰控制器(LADRC)结构原理进行分析,设计了电流型脉冲宽度调制(PWM)整流器的LADRC电流外环控制器及电流内环d轴和q轴控制器,通过仿真平台将PI控制和LADRC控制的控制效果进行了比较和验证。仿真结果表明:线性自抗扰控制相较于PI控制抗干扰能力更强,响应时间更短且没有超调。

一种实现电流型PWM整流器直流侧电压波动抑制的控制方法

三相电流源型脉宽调制整流器发生负载突变时,将导致直流侧输出电压波动。针对该问题,提出一种自抗扰控制与无差拍预测控制级联的综合控制策略。首先,建立整流器在两相静止坐标系下离散化数学模型,电流内环引入无差拍控制策略实现对网侧电流的快速跟踪。为降低控制延时带来的影响,将控制算法预测至k+2时刻并利用算术迭代过程消掉k+1时刻电流,从而提高了网侧电流控制精度以及降低了电流谐波含量。此外,外环引入自抗扰控制直流侧输出电压,通过扩张状态观测器实时估计系统扰动量并加以补偿,克服了传统比例积分控制器参数控制裕度不足和抗干扰能力差等问题。最后,通过MATLAB/Simulink软件以及6 kW实验样机对所提控制策略进行验证。结果表明,系统负载在突增、突减变化时,其输出电压波动能有效抑制在22 V以内,同时保证满载运行时网侧电流总谐波畸变率低至1.98%。

一种新型三相电压型PWM整流器启动冲击电流抑制方法

针对三相电压型PWM整流器启动瞬间产生较大的冲击电流,致使系统稳定性、可靠性降低的问题,在整流器前端加入预充电电路,对预充电电路软启动过程和整流器启动过流的原因进行了详细分析,再对2种无预充电电路的母线电压缓给定方法和2种预充电电路结合母线电压缓给定方法抑制启动冲击电流的作用机理进行了对比分析,最终提出了预充电-分段二阶抛物线母线电压缓给定混合控制的最优抑制方法,最后通过搭建4种母线电压缓给定方法的仿真模型和30 kW整流器实验样机进行了验证。结果表明,采用预充电-分段二阶抛物线母线电压缓给定混合控制启动的整流器有效地抑制了冲击电流,网侧电流启动无过冲现象,直流侧母线电压无超调。

EPS电能转换系统的有源阻尼解耦控制策略研究

三相电流源型PWM整流器(Current Source Rectifier,CSR)因其可实现网侧单位因数和正弦波电流控制,具备电能双向传输能力,广泛应用于应急电源系统(Emergency Power Supply,EPS)的电能转换系统。针对CSR的LC滤波电路容易产生谐振,以及带容性负载输出时,数学模型阶数增加导致控制器参数设计复杂等问题,提出了一种组合型有源阻尼解耦控制策略。首先,在d-q坐标下建立带容性负载的CSR数学模型;其次,CSR交流侧采用电容电压反馈(Capacitance Voltage Feedback,CVF)和电感电流反馈(Inductance Current Feedback,ICF)的组合型有源阻尼控制,以抑制交流侧LC滤波器谐振尖峰并提高系统阻尼比,直流侧采用状态反馈控制以稳定直流母线电压;然后,调节d轴开关分量实现系统网侧电压电流同相位运行;最后,通过MATALB/Simulink仿真及实验,验证了该控制策略的可行性。

基于电流畸变特性的整流器开路故障诊断系统设计与实现

半导体开关是影响电压源整流器VSR(voltage source rectifier)系统整体故障率的重要因素。为此,提出一种基于电流畸变特性的三相开路故障诊断系统,该系统由诊断模块、寄存器模块和决策模块组成。诊断模块使用滞环比较器来判断电流的变化趋势,从而诊断开路OC(open-circuit)故障;寄存器模块用于实现多开关OC故障诊断;决策模块用于输出最终结果。实验结果表明,该方法能够正确实现包括6种单开关故障和15种不同的双开关故障在内的故障诊断,故障诊断准确性好。此外,所提方法在负载突变、不同功率因数、电网电压不平衡和畸变以及不同的交流滤波器结构条件下均具有良好的抗干扰性能和较强的鲁棒性,平均诊断时间仅为3.68 ms。

谐波振荡抑制式电流源型整流器模型预测控制策略

电流源型整流器(current source rectifier,CSR)具有短路保护和降压能力等特点,可应用在直流微电网、数据中心和电机驱动等领域。电流源型整流器的交流侧采用LC二阶滤波器,传统控制器的设计面临着谐波振荡及参数整定难题。为此,提出一种面向谐波振荡抑制的模型预测控制方法。对影响谐波振荡现象的直流电流与滤波电容电压进行研究,提出预测方法;在此基础上,建立价值函数,并提出相对应的模型预测控制策略(model predictive control,MPC),通过该控制方案,CSR能够得到较好的稳态表现及动态响应,在运行于单位功率因数的同时,可以抑制谐波振荡现象的发生。最后,使用MATLAB搭建仿真模型,对所提控制策略的有效性进行验证。

基于载波移相SPWM技术的制氢电源研究

制氢电源作为制氢产业链的关键设备,其品质的优劣尤为重要。所设计的制氢电源采用电流源型整流器的模块化设计,其应用的调制技术为载波移相的SPWM技术。根据三相调制波与零值相比较的结果对一个工频周期进行分扇区处理,并在不同的区域内通过SPWM调制输出的触发脉冲控制电源子模块功率器件的开关状态,从而输出符合制氢装置技术要求的直流电压及电流,同时整流器交流电压电流满足电网总谐波畸变率的要求。

A power conversion system for PMSG-based WECS operating with fully-controlled current-source converters

We propose a new power conversion system for a permanent magnet synchronous generator(PMSG) based grid-connected wind energy conversion system(WECS) operating with fully-controlled back-to-back current-source converters. On the generator side, two independent current-source rectifiers(CSRs) with space-vector pulse width modulation(SVPWM) are employed to regulate and stabilize DC-link currents. Between DC-link and the electrical grid, a direct-type three-phase five-level current-source inverter(CSI) is inserted as a buffer to regulate real and reactive power fed to the grid and thus adjusts the grid side power-factor. We also present a current-based maximum power point tracking(MPPT) scheme, which helps the generator extract the maximum power through closed-loop regulation of the generator speed. By applying the multilevel modulation and control strategies to the grid-side five-level CSI, a multilevel output current waveform with less distortion is produced, and the bulk requirement of the output capacitor filter to eliminate the harmonic current is reduced. All the proposed concepts are verified by simulation models built in a PSIM environment.

新型可再生能源发电馈网系统研究

提出了采用电流型脉冲整流器实现的风能或太阳能发电并网的新方法 ,对电流型脉冲整流器的逆变特性和直流至交流具有的升压特性进行了分析研究 ,该方案很好地解决了采用电压型脉冲整流器并网发电 ,在风速低于同步转速时无法将同步发电机所发出的电能充分回收的问题。控制系统采用了DSP控制芯片 (TMS32 0C2 4 0 )。实验证明 。

基于反步法的电流型PWM整流器控制策略

电流型PWM整流器的状态空间平均模型具有非线性、强耦合特性,使得控制器的设计较为困难。通过前馈解耦方法,将电流型PWM整流器在同步坐标系下的多输入多输出非线性模型分解为两个单输入单输出的非线性模型,对每个单输入单输出模型,分别采用反步法设计了全局渐进稳定的非线性控制器,实现了对直流电流和功率因数的稳定控制。仿真和实验结果验证了该控制策略的有效性。

静止坐标系下电流型PWM整流器电流环控制策略研究及其参数设计

通过分析三相脉宽调制电流型整流器(current source rectifier,CSR)在两相静止坐标系中的数学模型,利用瞬时功率理论建立电压定向的CSR功率控制策略。为了有效抑制整流器输入侧LC滤波器产生的并联谐振,文中引入电容电压反馈有源阻尼控制环路。采用频域法对电流内环开环传递函数进行研究,针对静置坐标系下电流内环在动态响应和稳定性方面的限制,提出电流内环级联滞后补偿控制方法。详细研究电流内环比例谐振控制器及各参数对其性能的影响,并根据性能指标要求确定系统参数。利用根轨迹分析滤波电感变化对电流内环稳定性影响,并明确有源阻尼反馈增益与系统鲁棒性的关联性,最后对控制器进行离散化处理以实现数字控制。仿真和在60 kVA三相CSR样机实验结果表明,所提出的控制方法能够实现良好的动、静态性能,单位功率因数以及有效抑制网侧电流畸变。

基于DSP和CPLD的三相电流源型变流器

本文介绍了一种基于DSP和CPLD的三相电流源型变流器。并介绍了一种单位功率因数控制算法,该控制算法应用三值逻辑PWM开关信号和一个简单的反馈控制策略,既可以保证整流桥直流侧电流很好地跟踪给定值和低纹波,又能够实现整流桥网侧的单位功率因数和低谐波污染。文中对主回路、控制算法及基于DSP和CPLD的控制系统做了详细的介绍。在此基础上本文还设计了一个1.0KW的实验样机对控制算法进行实验验证,实验结果与理论分析能够很好地吻合。

偏流切换桥路型高温超导故障限流器的实验研究

研究了应用于三相电力系统中偏流切换桥路型高温超导故障限流器实验室样机。正常工作情况,在电桥上引入直流偏置电流,不出现限流;短路故障情况,整流桥中的直流偏流影响限流效果,将直流偏置电压源切换到限流电阻,使故障电流限制到预定的范围。研究了该限流器的工作原理,分析限流参数的变化对其限流特性的影响。实验和仿真表明,该限流器有很好的限流和重合闸能力,能显著减少暂态及稳态的故障电流,有效提高系统的动态稳定性和电网的电能质量。

电流型PWM整流器多环控制策略及其参数设计

通过对三相脉宽调制电流型整流器(current source rectifier,CSR)的分析,利用前馈解耦控制策略,建立了d-q坐标系下多环控制的线性大信号数学模型。为了有效抑制整流器输入侧电感–电容滤波器产生的并联谐振,文中引入电容电压反馈有源阻尼控制环路。基于频域法对含有源阻尼控制、延迟环节的电流内环进行分析,并辅助Matlab中单输入–单输出设计工具,优化内环控制器零点位置与环路增益,以兼顾系统动态响应与稳定性。由于电流外环与运行工作点有关,针对电池组容性负载,该文提出电流外环开关选择控制器,根据负载电动势并依照所制定的映射法则,选择相应的控制器参数,从而改善系统在宽范围运行时的性能。最后,通过计算机仿真和实验样机测试,验证了该文所提出的控制方法与参数设计,不仅使三相CSR系统表现出良好的动、静态性能,而且在宽输出电压、电流变化范围内,能够保持单位功率因数以及较低的网侧电流畸变。