电流型pwm整流器控制策略及应用技术研究

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1、电流型PWM整流器控制策略及应用技术研究重庆大学博士学位论文学生姓名：郭强指导教师：刘和平教授专业：电气工程学科门类：工学重庆大学电气工程学院二O一五年六月ResearchonControlStrategiesandApplicationTechniquesofCurrentSourcePWMRectifiersAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngi

2、neeringByGuoQiangSupervisedbyProf.LiuHePingSpecialty:ElectricalEngineeringCollegeofElectricalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaJune,2015中文摘要摘要PWM整流器按照直流侧电源特性可分为电压型整流器(VSR)和电流型整流器(CSR)。因CSR具有功率因数可调、网侧谐波电流抑制、电流直接控制以及降压输出等优点，已被应用于如超导储能、电池组充电、有源前

3、端、电机驱动等场合。随着功率器件与磁性材料技术的不断发展，三相CSR的效率问题将得以解决，因此三相CSR将获得更广阔的发展空间与应用前景。论文针对三相CSR的特性、控制策略以及参数设计等展开深入研究，主要包括以下几方面内容：三相CSR被广泛应用的主要障碍之一是其相对较高的功率损耗，论文对两种电动汽车非隔离式充电拓扑，即三相CSR和VSR+Buck进行效率分析与比较。首先，分析了空间矢量调制下两种拓扑的换流过程与损耗特性，根据厂家提供的功率器件特性数据，基于曲线拟合理论计算出系统的开关损耗。通过对变换器开关损

4、耗、导通损耗以及滤波器损耗的计算，形成了一套完整的PWM整流器损耗计算方法，为以后三相CSR的设计提供了重要的工程依据。结果表明：当额定输出为10.5kW(350V/30A)时，三相CSR的效率优于VSR+Buck拓扑，从而修正了大家对三相CSR效率低下的误解。论文详细分析了三相CSR正弦脉宽调制和空间矢量调制技术，考虑到输出侧并联二极管的情况，简化了二-三逻辑的变换中的逻辑分配电路。在此基础上，给出了一种电流型SVPWM的简化调制算法，省去了坐标变换和三角函数计算，提高了运算速度。基于三相CSR拓扑，提出

5、一种以极化电压作为控制量的可变充电电流模糊控制策略，包括变恒流与恒压两种充电模式。针对变恒流模式，引入电池二阶Thevenin电路模型，并根据实验数据构建电池在不同充电电流下的极化电压与SOC的关系曲线；将极化电压及其变化率作为输入量，利用模糊控制器推导出下一时刻的参考充电电流，从而降低整个充电过程中的平均极化电压；当电池电压升至截止电压时，三相CSR充电系统转为恒压模式。因此，该系统能够在保证充电速度的同时，有效增加电池的循环寿命。针对变恒流和恒压两种模式，基于三相静止坐标系建立了具有功率因数延迟角自调节

6、能力的间接电流控制策略。在频域内对电流内环、电压外环控制器参数进行优化配置，使得系统在两种控制模式下，均能实现单位功率因数以及网侧电流正弦化。论文从瞬时功率理论着手，对三相CSR中瞬时能量流进行分析，在两相静止坐标系下，提出了一种电网电压定向的三相CSR功率控制策略。详细研究了电流内环比例谐振控制器各参数对其稳定性、鲁棒性以及动态性能的影响，并根据性能指标要求确定系统参数，由于该策略无需旋转坐标变换、锁相环和前馈解耦等环节，可有效避免因相位检I重庆大学博士学位论文测误差以及解耦不彻底所带来的问题。采用频域法

7、对电流内环开环传递函数进行研究，针对静止坐标系下电流内环开环低频增益对系统性能的限制，提出一种电流内环级联滞后补偿方法。为了实现数字控制，将控制模型进行离散化处理，并在离散域中设计控制器参数。另外，控制策略的实现采用基于模型的软件设计方法，通过建立Simulink算法模型，实现控制算法与代码的统一，从而加快了系统的验证进程。仿真和实验结果表明：所提出的控制方法具有良好的动、静态性能。由于电流外环与运行工作点有关，针对电池组容性负载，提出了一种电流外环开关选择控制器，根据负载电动势并依照运行工作点与控制器参数

8、之间的映射法则，选择最佳的外环控制器参数，从而改善系统在宽电压、电流输出时的性能。利用前馈解耦控制策略，在旋转坐标系下建立了三相CSR多环路控制的线性大信号数学模型。为了有效抑制整流器输入侧LC滤波器产生的并联谐振，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，并利用Matlab中单输入-单输出(SISO)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