【摘要】：近年來,能源需求日益增長,人們對電能質(zhì)量的要求越來越高,利用電力電子變流裝置來實現(xiàn)高質(zhì)量的電能變換已經(jīng)成為電力電子與電力傳動領(lǐng)域的一個熱門研究課題。有源前端變流器作為連接電網(wǎng)與用電設(shè)備的接口,其控制性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到電能變換的質(zhì)量。因此,研究有源前端變流器的高性能控制問題具有重要的實際意義。本文主要研究工作包括以下幾個方面:第一,針對傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測控制方式在控制過程中存在在線計算量較大導(dǎo)致控制指令的計算時間延遲問題,分別提出了基于無差拍預(yù)測控制策略和基于Lyapunov原理的簡化有限控制集模型預(yù)測控制方法,引入矢量扇區(qū)判斷方式,并結(jié)合電壓空間矢量等效變換的原理,從而可以有效減少算法所需的在線尋優(yōu)時間以及預(yù)測值計算次數(shù),利于工程實現(xiàn)。第二,針對傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測控制方式在控制過程中存在過度依賴系統(tǒng)參數(shù)以及有源前端變流器輸入濾波電感、等效電阻等參數(shù)失配時的高性能控制問題,提出了一種基于模型參考自適應(yīng)在線參數(shù)辨識的有限控制集模型預(yù)測控制技術(shù),從而有效避免了有源前端變流器在實際運行中因系統(tǒng)干擾、電抗器飽和以及溫度變化等引起的模型參數(shù)失配。第三,針對傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測控制方式在控制過程中存在動態(tài)響應(yīng)慢,以及電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器對控制對象參數(shù)變化比較敏感,且容易出現(xiàn)超調(diào)的問題,提出了一種基于動態(tài)給定設(shè)計的有源前端變流器有限控制集模型預(yù)測控制方式。該方法取消了電壓外環(huán)的使用,從而避免了 PI控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合簡化有限控制集模型預(yù)測控制策略,不但減少了在線計算時間,而且有效改進了系統(tǒng)的動態(tài)性能。第四,針對傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測控制方式在控制過程中存在過高的開關(guān)頻率將增加功率器件的開關(guān)損耗,降低其效率的問題,提出了一種具有低開關(guān)頻率的有源前端變流器模糊有限控制集模型預(yù)測控制策略。該策略采用滯環(huán)控制的設(shè)計思想,引入模糊控制策略,在兼顧控制性能的同時有效地降低了功率器件平均開關(guān)頻率,實現(xiàn)了低開關(guān)頻率下的有源前端變流器的高效運行。第五,針對傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測控制方式在控制過程中存在權(quán)重因子選擇困難的問題,提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的簡化有源前端變流器有限控制集模型預(yù)測控制策略。該策略分別采用多目標(biāo)平均等級排序以及多目標(biāo)模糊決策的設(shè)計方式,從而在降低在線計算負(fù)擔(dān)的同時,有效避免了權(quán)重因子的選擇問題。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM46
【圖文】：

電平拓?fù)浒l(fā)展到多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在發(fā)展的同時，新型大功率電力電子器件為大容量電力電子變換技術(shù)提供了基礎(chǔ)，促進了多電平變換器的進一步發(fā)展［４１＿４２］。接下來，本節(jié)將對兩電平、三電平以及四電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行簡要論述，并逡逑對不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進行分析與總結(jié)，以此勾勒出近年來ＡＦＥｓ拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展逡逑軌跡。逡逑１）兩電平ＡＦＥｓ拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑本文將三相電壓型邋ＰＷＭ邋整流器（Ｔｈｒｅｅ－Ｐｈａｓｅ邋Ｖｏｌｔａｇｅ邋Ｓｏｕｒｃｅ邋ＰＷＭ邋Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，逡逑ＶＳＲ）稱為兩電平ＡＦＥｓ。兩電平ＡＦＥｓ電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖１．１所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交逡逑流側(cè)懫用三相對稱的無中線連接方式，并由６個絕緣柵雙極型晶體管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ逡逑Ｇａｔｅ邋Ｂｉｐｏｌａｒ邋Ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ，ＩＧＢＴ）作為功率開關(guān)器件，反并聯(lián)６個續(xù)流二極管，以確逡逑保負(fù)載電流的連續(xù)，為實現(xiàn)能量的回饋提供回路。同時各橋臂上下功率開關(guān)管懫逡逑用互補導(dǎo)通的方式，避免直流側(cè)電源直通，造成直流側(cè)電源短路現(xiàn)象的發(fā)生。該逡逑拓?fù)渲饕獞?yīng)用于低壓小功率場合［４３］。逡逑Ｐ邐逡逑

逑的需求以及為了減少逆變器輸出電壓諧波的需要，進而發(fā)展起來的一種多電平變逡逑換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。三電平ＡＦＥｓ電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖１．２所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)交流側(cè)與逡逑兩電平ＡＦＥｓ類似，采用三相對稱的無中線連接方式，主電路由１２個ＩＧＢＴ及６逡逑個鉗位二極管組成。其中，鉗位二極管的作用是將功率開關(guān)器件所承受的正向阻逡逑斷電壓限定在期望電壓值內(nèi)，這樣既有利于確定變流電路輸出電平的大小，又可逡逑以在電路工作過程中避免電壓過高損壞功率開關(guān)器件［４４］。該拓?fù)渲饕獞?yīng)用于中壓逡逑大功率場合１４５１逡逑邐邐邋Ｐ逡逑識１邋邐１邋妙１邋邐１邋ｇｄ邋邋，Ｑ逡逑Ｘ邐＾邋ｓａ２邋＇，邋ｓｂ２邋，ｓｃ２邋．邋＞逡逑——？邐＾￣ＷＶ邐ｖｇｃ邐ｉ。邐１逡逑＾邋ｘ邋＾邐￣’—＇一－逡逑邐Ｈ￣￣ｖ邐＾邋Ｔ逡逑——＠￣＝＾０＿邐．．￣Ｉ邋——－￣！——Ｖ取逡逑——Ｉ邐ｈ—１邋ｇｃ３邋—＇ｑＺＩ逡逑Ｎ逡逑圖１．２三電平有源前端變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋３Ｌ－ＡＦＥｓ逡逑３）四電平ＡＦＥｓ拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑本文將四電平嵌入式中點鉗位型變換器（Ｆｏｕｒ－Ｌｅｖｅｌ邋Ｎｅｓｔｅｄ邋Ｎｅｕｔｒａｌ－Ｐｏｉｎｔ－逡逑Ｃｌａｍｐｅｄ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，４Ｌ－ＮＮＰＣＳ）稱為四電平ＡＦＥｓ。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一種新興的拓?fù)溴义辖Y(jié)構(gòu)，由加拿大Ｍｅｈｄｉ邋Ｎａｒｉｍａｎｉ等學(xué)者在２０１４年首次提出，該拓?fù)湟话氵\行在逡逑２．４－７．２ＫＶ電壓等級范圍內(nèi)［４６］。相比于其它傳統(tǒng)四電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言

ＡＦＥｓ和三電平ＡＦＥｓ拓?fù)洌颐總�主開關(guān)器件關(guān)斷時所承受的電壓是直流側(cè)電壓逡逑的三分之一，因此該變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適合于中壓大功率的應(yīng)用場合［４９］。其拓?fù)浣Y(jié)逡逑構(gòu)如圖１．３所示。逡逑邐邋邐邋，邋Ｐ逡逑Ｓｇ0ｉ＾邐＾逡逑Ｓｇａ２＾Ｙ邐ｌ0逡逑ｅ邋Ｔ邋－－逡逑Ｊ＾ａ邋Ｓ＇邋？ｉｇａ邋”邋“丁廣邐ｉ邐八�。蝈义希�？８ａ邋Ｃｇａｌ邋Ｃｇｂｌ邋Ｃｇ：ｌ逡逑°￣ｔｒｒｒ＾ｘ邋0ｇｂ邋＂４邋（ｋ逡逑Ｓｇａ５邋一邋ｋｊ邐ＳｇｂＷ邋ｋｊ邐ｃｊ逡逑＾６＾＾逡逑Ｎ逡逑圖１．３四電平有源前端變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｔｈｅ邋ｃｏｍｍｏｎ邋ｔｏｐｏｌｏｇｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋４Ｌ－ＡＦＥｓ逡逑４）模塊化多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逡逑模塊化多電平變換器（Ｍｏｄｕｌａｒ邋Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ邋Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，邋ＭＭＣ）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖１．４逡逑所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為子模塊單元、橋臂單元、相單元三個層次。各子模塊單逡逑元均為半橋結(jié)構(gòu)與直流電容并聯(lián)而成，通過端口與主電路連接，各橋臂單元則由逡逑Ｎ個子模塊與一個緩沖電感串聯(lián)而成，以實現(xiàn)瞬時短路期間對電路的保護功能。逡逑各相單元又包含上、下兩個橋臂。同時，該結(jié)構(gòu)功率單元的兩個開關(guān)由互補信號逡逑控制，產(chǎn)生兩種有效狀態(tài)，將內(nèi)部電容旁路或接入橋臂的整個電容陣列，從而產(chǎn)逡逑生多電平波形［５Ｇ］。與其它經(jīng)典多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能顯著提高交逡逑流側(cè)供電質(zhì)量

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2777804