三相PWM整流器控制策略的研究
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摘要
随着电力电子装置的日益广泛应用，电网中的谐波污染日益严重，消除谐波污染并提高功率因数，已成为电力电子技术中的一个重大课题。
作者通过查阅大量国内外参考文献对三相高功率PWM整流器的研究现状有了系统的认识，通过对参考文献的认真研读，对各种控制策略和各种控制方法的优点及所存在的缺陷有了深入的理解。
论文在系统分析PWM控制技术在三相整流器中的应用的基础上，通过分析三相PWM整流器的物理工作过程，对三相PWM整流器的工作原理做了详细的闸述。在建立了三相PWM整流器数学模型的基础上，通过MATLAB／SIMULINK工具箱对该模型的正确性进行仿真验证。
高功率因数PWM整流器的实现关键在于如何得到与输入电压同相位的输入电流，而同相位的输入电流的实现关键在于如何得到合适的整流器交流侧的电压空间矢量。论文采用了空间矢量的调制方法应用于整流器中，通过仿真验证了方案的可行性。
在综合分析了PWM整流器的各种控制方法和控制策略的基础上，论文比较详细地介绍了几种重要的和工程应用较多的控制方法和控制策略，提出了基于双闭环控制的PWM整流器的工程设计方法：通过PARK变换将ABC三相静止坐标系变换到同步旋转的dq坐标系，通过解耦控制，对构成电流环的内环和构成电压环的外环PI控制器的设计给出了系统的介绍，最后通过仿真验证了方案的可行性。
常规PID控制器不容易实现最优控制，论文提出了基于遗传算法的PID控制器在PWM整流器中的应用。在详细介绍遗传算法的基本原理、遗传算法的优化设计、遗传算法的PID整定的基础上，通过仿真验证了方案的可行性。
The more application of power electronics equipment, the more harmonic pollution, since eliminating harmonic pollution and improving power factor are the quite important task in the field of power electronics.
Through reading lots of national and native conference documents, the whole understanding to the current researches of the 3-phase high power factor PWM rectifier are obtained, in the same time, the profound comprehend to the features of the different control strategy and control methods are acquired.
After analyzing some kinds of PWM control technology and its application in the 3-phase rectifier, the principle of PWM rectifier is introduced in details. On the basis of deducing the rectifier's mathematical model, the MATLAB simulation model is achieved, and the validity of the mathematical model are confirmed by simulation result.
The key step to achieve high power factor PWM rectifier is how to make the input current's initial phase equal to the input voltage's, where the key step to achieve the same initial phase is how to get the suitable voltage space vector. Its application in the PWM rectifier and theory are described in details, and simulation result indicates that the method has a robust performance.
Based on analyzing the various control methods and strategies, a few important control methods and the more-applying engineering designing methods are introduced. Especially the paper introduces the dual-close-loop engineering designing method: firstly the ABC 3-phase stationary coordinate is translated into 2-phase stationary by the PARK transformation, secondly the PI adjustor's parameter of current and voltage loop's is designed, lately the correction of the designed parameter is testified by simulation results.
As the traditional PID controller is difficult to achieve the optimum control, on the basis of introducing the principle, optimum design and PID alter of the GA, the paper adopts the GA's PID to identify the parameters of the PWM rectifier. Simulation results verify the validity of the scheme and the improvements to the PWM rectifier .
作者通过查阅大量国内外参考文献对三相高功率PWM整流器的研究现状有了系统的认识，通过对参考文献的认真研读，对各种控制策略和各种控制方法的优点及所存在的缺陷有了深入的理解。
论文在系统分析PWM控制技术在三相整流器中的应用的基础上，通过分析三相PWM整流器的物理工作过程，对三相PWM整流器的工作原理做了详细的闸述。在建立了三相PWM整流器数学模型的基础上，通过MATLAB／SIMULINK工具箱对该模型的正确性进行仿真验证。
高功率因数PWM整流器的实现关键在于如何得到与输入电压同相位的输入电流，而同相位的输入电流的实现关键在于如何得到合适的整流器交流侧的电压空间矢量。论文采用了空间矢量的调制方法应用于整流器中，通过仿真验证了方案的可行性。
在综合分析了PWM整流器的各种控制方法和控制策略的基础上，论文比较详细地介绍了几种重要的和工程应用较多的控制方法和控制策略，提出了基于双闭环控制的PWM整流器的工程设计方法：通过PARK变换将ABC三相静止坐标系变换到同步旋转的dq坐标系，通过解耦控制，对构成电流环的内环和构成电压环的外环PI控制器的设计给出了系统的介绍，最后通过仿真验证了方案的可行性。
常规PID控制器不容易实现最优控制，论文提出了基于遗传算法的PID控制器在PWM整流器中的应用。在详细介绍遗传算法的基本原理、遗传算法的优化设计、遗传算法的PID整定的基础上，通过仿真验证了方案的可行性。
The more application of power electronics equipment, the more harmonic pollution, since eliminating harmonic pollution and improving power factor are the quite important task in the field of power electronics.
Through reading lots of national and native conference documents, the whole understanding to the current researches of the 3-phase high power factor PWM rectifier are obtained, in the same time, the profound comprehend to the features of the different control strategy and control methods are acquired.
After analyzing some kinds of PWM control technology and its application in the 3-phase rectifier, the principle of PWM rectifier is introduced in details. On the basis of deducing the rectifier's mathematical model, the MATLAB simulation model is achieved, and the validity of the mathematical model are confirmed by simulation result.
The key step to achieve high power factor PWM rectifier is how to make the input current's initial phase equal to the input voltage's, where the key step to achieve the same initial phase is how to get the suitable voltage space vector. Its application in the PWM rectifier and theory are described in details, and simulation result indicates that the method has a robust performance.
Based on analyzing the various control methods and strategies, a few important control methods and the more-applying engineering designing methods are introduced. Especially the paper introduces the dual-close-loop engineering designing method: firstly the ABC 3-phase stationary coordinate is translated into 2-phase stationary by the PARK transformation, secondly the PI adjustor's parameter of current and voltage loop's is designed, lately the correction of the designed parameter is testified by simulation results.
As the traditional PID controller is difficult to achieve the optimum control, on the basis of introducing the principle, optimum design and PID alter of the GA, the paper adopts the GA's PID to identify the parameters of the PWM rectifier. Simulation results verify the validity of the scheme and the improvements to the PWM rectifier .
引文
[1] 董晓鹏，王兆安．三相电压型单位功率因数PWM整流器的研究．电力电子技术，1997，11(22)：39-41
[2] 史伟伟，蒋全，胡敏强，唐国庆，蒋平．三相电压型PWM整流器的数学模型和主电路设计．东南大学学报(自然科学版)，2002，32(1)：50-55
[3] 沈安文，余高明，万淑芸．PWM整流器的过调制固定开关频率控制方法．电力电子技术，2001，35(4)：39-41
[4] 熊健，张凯，裴雪军，陈坚．一种改进的PWM整流器间接电流控制方案仿真．电工技术学报，2003，18(1)：57-63
[5] Geza Joos,Phoivos D.Ziogas. On Maximizing Gain and Minimizing Switching Frequency of Delta Modulated Inverter.IEEE Trans.On IE,1993,40(4):436-443
[6] 浦志勇，黄立培，吴学智．三相PWM整流器空间矢量控制简化算法的研究．电工电能新技术，2002，21(2)：56-60
[7] Blasko Vladimir, Kaura Vikram. A new mathematical model and control of a three-phase ac-dc voltage source converter. IEEE Trans. On power Electron.,1997,12 (1):116-122
[8] Green A W, Boys J T, Gates G F. Hystersis current forced three phase voltage source reversible rectifier. IEE,1997,136(3):362-370
[9] Choi J W, Sui S K.Fast current control in three-phase AC/DC boost converter using d-q axis crosscoupling.IEEE Trans. On Power Electron. 1998,13(1): 179-185
[10] Draou A,Sato Y, Kataoka T.A new state feedback based transient control of PWM AC to DC voltage type converters. IEEE Trans.on Power Electron. 1995,10(6):716-724
[11] Draou A, Sato Y, Kataoka T.A new state feedback based transient control of PWM AC to DC voltage type converters.IEEE Trans.on Power Electron.,1998,10(6):716-724
[12] Wu R,Dewan S b,Selmon G R. Analysis of a PWM ac to dc voltage source converter under predicted current control with a fixed switch switching frequency. IEEE Trans.on Ind.Applicat.,1991,27(4): 756-764
[13] Guo Y, Wang X, Lee H C,Ooi B T. Pole-placement control of voltage-regulated PWM rectifiers real-time multiprocessing. IEEE Trans. On Ind Electron., 1994,14(5): 224-230
[14] Fukuda S.LQ control of sinusoidal current PWM rectifiers IEE Proc-Electr. Power Appl., 1997, 144(2):95-100.
[15] Komurcugil H,Kukrer Osman. Lyapunov-Based control for three-phase PWM AC/DC voltage-source Converters.IEEE Trans. On Power Electron.,
1998,13(5):801-813
[16] 毛鸿，吴兆麟，王毅，刘树林．三相电压型PWM整流器无电流传感器控制策略研究，电工技术学报，2001，16(2)：56-60
[17] Ooi B.T. et al. A 3-phase controlled current converter with leading power factor. IA 1987,23(1):74～84
[18] 王兆安．谐波抑制与无功功率补偿．北京：机械工业出版社，1998．
[19] Veas D R, Dixon J W, Ooi B T. A novel load current control method for leading power factor voltage source PWM rectifier [J]. IEEE Trans on Power Electronics,1994,9 (2): 153～159
[20] Wu R Sdewan.Slemon G R. analysis of an ac-to-dc voltage source converter using PWM with phase and amplitude control. IEEE Trans. On Ind. Applicat,1991,27 (2) :355～363
[21] 杨德刚，赵良炳，刘润生．三相高功率因数整流器的建模及闭环控制．电力电子技术，1999，10(3)：49-51
[22] 王晓毛，邓则名，冯垛生．在MATLAB中实现三相电压型逆变器仿真．广东工业大学学报，2000，17(2)：24-27
[23] 何新霞，张加胜，王平．电压型PWM可逆整流器建模与系统仿真．1999，23(3)：93-95
[24] 易军，王红蕾．高功率因数PWM变流器仿真研究．贵州工业大学学报，2002，10(1)：10-15
[25] 戴珂．三相电压型整流器／逆变器的功能建模仿真方法．电力电子技术，2002，36(5)：60-64
[26] 张晶，曾宪云．基于MATLAB／SIMULINK直流电机调速系统模糊控制的建模与仿真．现代电子技术，2002，4(135)：12-15
[27] 詹长江，秦荃华，韩英铎，王仲鸿．三电平脉宽调制高频整流器系统数学模型及仿真分析．中国电机工程学报，1999，19(7)：45-48
[28] 詹长江，刘平，康勇，陈坚．基于空间矢量SPWM控制的高频整流器．电力电子技术，1997，12(13)：57-59
[29] 熊宇，李君，张仲超，于相旭．基于改进矢量控制的三相电压型整流器的系统分析和设计．电气传动，2002，5：13-17
[30] 张兴，张崇巍．PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究．中国电机工程学报，2001，21(10)：102-105
[31] 李伟．一种基于8XC196MC的新型空间矢量PWM算法．电力电子技术，2002，36(4)：41-46
[32] 刘平，康勇，陈坚．PWM整流器的矢量控制．华中理工大学学报，2000，28(6)：37-39
[33] 熊健．PWM整流器的控制器工程化设计方法．电工电能新技术，2002，2(3)：44-48
[34] 沈安文，万淑芸，王离九，赵金．PWM整流器的输入电流谐波分析及参数确定．电力电子技术，1998，3(12)：4-6
[35] 毛鸿，沈琦，吴兆麟．PWM整流器的电压控制策略研究．电气传动，2000，3：21-23
[36] 董晓鹏，王兆安．PWM整流器直流电压对电源电流控制的影响．电力电子技术，1998，3(4)：7-11
[37] 毛鸿，吴兆麟．基于三相PWM整流器的无死区空间矢量调制策略．中国电机工程学报，2001，21(11)：100-104
[38] 庄哲民，林志强．电流控制神经网络逆变控制器的设计与实现．汕头大学学报(自然科学版)，1999，15(2)：15-18
[39] 孙孝峰．三相AC／DC软开关变流器的最优矢量控制．大连轻工业学院学报，2001，20(2)：139-142
[40] 陈国呈．高功率因数三相软开关PWM变流器．电工电能新技术，2001，7：7-10
[41] 刘金琨．先进PID控制及其MATLAB仿真．电子工业出版社，2003，102-129
[2] 史伟伟，蒋全，胡敏强，唐国庆，蒋平．三相电压型PWM整流器的数学模型和主电路设计．东南大学学报(自然科学版)，2002，32(1)：50-55
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[33] 熊健．PWM整流器的控制器工程化设计方法．电工电能新技术，2002，2(3)：44-48
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