基于死區(qū)等效電壓矢量的高精度逆變控制策略研究.pdf

1、逆變技術(shù)作為四大變流技術(shù)之一，被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)和生活各個(gè)方面。隨著太陽(yáng)能、風(fēng)能和生物能為代表的新能源快速開發(fā)和推廣利用，人們對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，對(duì)逆變技術(shù)的性能指標(biāo)也提出了更高的要求。因此，提高逆變控制的電流跟蹤精度，減少諧波，具有重要的意義。
　　本文以三相兩電平電壓型逆變器為研究對(duì)象，以電感和電阻作為等效負(fù)載，展開逆變器電流跟蹤控制的研究。通過(guò)分析逆變橋臂的電流換流規(guī)律，提出了死區(qū)等效電壓矢量的概念，并推導(dǎo)出其數(shù)學(xué)模型方

2、程。在傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測(cè)控制(Finite Control-Set Model Predictive Control，F(xiàn)CS-MPC)方法的基礎(chǔ)上，引入死區(qū)等效電壓矢量及其控制方法，使得原本每個(gè)控制周期單電壓矢量輸出變?yōu)殡p電壓矢量的最優(yōu)合成輸出，將原本不可控的死區(qū)狀態(tài)變?yōu)槿嵝钥煽氐摹⒂欣谔岣吣孀兙鹊挠行щ妷菏噶?，從而大幅提高了逆變控制精度及其性能。仿真和?shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，在本文所提出的控制算法作用下，電流跟蹤均方差值和總諧波畸變率均

3、明顯減少。研究的主要內(nèi)容分下幾點(diǎn)展開:
　　(1)對(duì)傳統(tǒng)的逆變控制方法進(jìn)行了研究分析，尤其是FCS-MPC控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)及研究現(xiàn)狀。
　　(2)提出了死區(qū)等效電壓矢量的概念并推導(dǎo)了其數(shù)學(xué)模型方程。根據(jù)死區(qū)自然換流時(shí)，二極管的鉗位電壓值與某一開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)輸出電壓相等的規(guī)律，提出死區(qū)等效電壓矢量的概念，并通過(guò)組合邏輯的方法，研究死區(qū)等效電壓矢量與三相電流方向、死區(qū)狀態(tài)和開關(guān)切換前后開關(guān)狀態(tài)等因素之間的關(guān)系，推導(dǎo)出相應(yīng)的模型方程

4、，為后續(xù)死區(qū)等效電壓矢量的控制方法奠定理論基礎(chǔ)。
　　(3)設(shè)計(jì)了死區(qū)等效電壓矢量的控制算法。在每個(gè)周期里，分析死區(qū)狀態(tài)與下一時(shí)刻開關(guān)狀態(tài)的所有可能組合，得到對(duì)應(yīng)死區(qū)等效電壓矢量與下一時(shí)刻電壓矢量的組合情況;并構(gòu)造綜合代價(jià)函數(shù)，使之更符合本文所提算法的跟蹤性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn);基于綜合代價(jià)函數(shù)提出最優(yōu)時(shí)間分配算法，合理分配兩個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使得兩個(gè)電壓矢量合成控制后的綜合代價(jià)函數(shù)值為最優(yōu);計(jì)算所有電壓矢量組合下的最優(yōu)綜合代價(jià)函數(shù)值，

5、并選擇其中的最小值所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)及相應(yīng)的作用時(shí)間輸出，從而通過(guò)兩個(gè)電壓矢量的最優(yōu)合成，實(shí)現(xiàn)逆變電流的高精度逆變控制;并研究算法特點(diǎn)，在保證控制效果的前提下，對(duì)算法進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，方便仿真與實(shí)驗(yàn)中的程序設(shè)計(jì)。
　　(4)建立了仿真模型并進(jìn)行了仿真分析。利用Matlab/Simulink工具設(shè)計(jì)三相兩電平逆變器的仿真模型，驗(yàn)證了死區(qū)等效電壓矢量概念的正確性及適用條件，比較分析了逆變器在傳統(tǒng)FCS-MPC算法和本文提出的控制算法作用下

6、的電流跟蹤性能，并研究不同模型參數(shù)對(duì)所提控制算法跟蹤規(guī)律的影響，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供指導(dǎo)和借鑒。
　　(5)搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，編寫了FPGA控制程序。基于LabVIEW FPGA搭建三相兩電平電壓型逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了硬件級(jí)的高速并行計(jì)算，在2μs以內(nèi)完成每個(gè)控制周期的相關(guān)運(yùn)算。分析實(shí)驗(yàn)波形和相關(guān)數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)FCS-MPC算法，本文提出的控制算法可以有效地改善逆變電流的跟蹤性能，從而進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所提算