高效高功率因數(shù)三相電源控制策略研究.pdf

1、電力電子變換器是電能利用的重要轉(zhuǎn)換裝置，三相電源是將三相工頻交流電變?yōu)橹绷麟姷碾娏﹄娮友b置，傳統(tǒng)的三相電源采用二極管或晶閘管整流，會(huì)引起諧波污染、無功損耗增大、電磁干擾等負(fù)面效應(yīng)?；谲涢_關(guān)技術(shù)的PWM有源功率因數(shù)校正變換器具有高功率因數(shù)和高效率，可以解決傳統(tǒng)三相電源存在的問題，因此，在大功率不間斷電源、無功補(bǔ)償、太陽(yáng)能發(fā)電以及交直流傳動(dòng)系統(tǒng)等領(lǐng)域取代傳統(tǒng)裝置，有著廣闊的應(yīng)用前景。本文結(jié)合單晶爐加熱電源的技術(shù)要求，采用先進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將

2、功率因數(shù)校正，軟開關(guān)技術(shù)與先進(jìn)控制算法有機(jī)地結(jié)合，設(shè)計(jì)了一套高效率、高功率因數(shù)、高性能的三相電源樣機(jī)，并針對(duì)該對(duì)象的控制策略進(jìn)行了深入研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在分析現(xiàn)有拓?fù)涞幕A(chǔ)上，選擇了前級(jí)復(fù)合有源箝位軟開關(guān)三相功率因數(shù)校正變換器（CACZVS三相PFC變換器）配合后級(jí)移相全橋零電壓零電流（FB-ZVZCS）DC/DC變換器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)的三相電源拓?fù)?。針?duì)單晶爐用加熱電源對(duì)于高功率因數(shù)和高效率的要求，在對(duì)比分析了不同方案

3、的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟開關(guān)條件及相關(guān)調(diào)制方法的基礎(chǔ)上，選擇一種新型復(fù)合有源箝位軟開關(guān)三相功率因數(shù)校正變換器（CACZVS三相PFC變換器）實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正和輸出直流母線電壓控制，后級(jí)采用移相全橋零電壓零電流（FB-ZVZCS）DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)輸出電壓和功率的控制。本文分析了三相電源的工作機(jī)理、等效電路，在此基礎(chǔ)上建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)控制方法研究提供了條件。⑵針對(duì)變換器控制參數(shù)多、相互耦合、難以選擇的問題，提出多目標(biāo)混沌粒子群優(yōu)化算法設(shè)

4、計(jì)控制器參數(shù)以提高變換器性能。以前級(jí)CACZVS三相PFC變換器基于兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的傳統(tǒng)前饋解耦的比例積分（PI）控制器參數(shù)優(yōu)化問題為例，給出了系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化方法和步驟。三相PFC變換器的控制涉及交軸電流、直軸電流和輸出電壓三個(gè)控制閉環(huán)，有3個(gè)PI控制器的6個(gè)控制參數(shù)需要設(shè)計(jì)，控制參數(shù)之間存在相互耦合，優(yōu)化目標(biāo)需綜合考慮輸出直流電壓快速性及準(zhǔn)確性，輸入單位功率因數(shù)等因素，這是一個(gè)復(fù)雜的多參數(shù)（多維）多目標(biāo)優(yōu)化問題，針對(duì)這一問題，提出了

5、基于派瑞托（Pareto）理論的粒子群優(yōu)化算法，解決多個(gè)待優(yōu)化目標(biāo)的自動(dòng)均衡問題。⑶設(shè)計(jì)了三種適合的非線性控制方法，以降低電源參數(shù)不確定（或變化）對(duì)系統(tǒng)性能的影響，提升了三相電源的控制性能。前級(jí)CACZVS三相PFC變換器具有非線性、強(qiáng)耦合、參數(shù)不確定和負(fù)載等參數(shù)隨工況時(shí)變等特征，提出以下控制策略用來提升變換器控制性能。⑷提出魯棒定頻模型預(yù)測(cè)控制（RCF-MPC）方法實(shí)現(xiàn)前級(jí)CACZVS三相PFC變換器的電流環(huán)定頻模型預(yù)測(cè)控制，電壓環(huán)采

6、用魯棒變結(jié)構(gòu)控制器，在同時(shí)存在參數(shù)不確定（變化）和輸入三相電壓不平衡的情況下，提升了前級(jí)變換器的性能。單晶爐的實(shí)際工況通常是輸入三相電壓不平衡與參數(shù)不確定（變化）并存，傳統(tǒng)處理三相不平衡的方法需要分別考慮三相正序電流和負(fù)序電流的控制，控制閉環(huán)增多，控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文采用預(yù)測(cè)控制解決這個(gè)問題。應(yīng)用于傳統(tǒng)硬開關(guān)模式的三相功率因數(shù)校正變換器（三相VSR變換器）的有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制策略（FS-MPC）由于存在不定頻的問題，無法被直接應(yīng)用于一個(gè)

7、開關(guān)周期內(nèi)需要開關(guān)狀態(tài)至少變化一次的軟開關(guān)變換器。針對(duì)上述問題，本文提出魯棒定頻模型預(yù)測(cè)控制（RCF-MPC）方法，該方法采用時(shí)間序列最優(yōu)定頻預(yù)測(cè)控制框架，在價(jià)值函數(shù)中增加負(fù)序電流指標(biāo)的同時(shí)增加處理預(yù)測(cè)模型不確定性的魯棒項(xiàng)，電壓環(huán)仍然采用魯棒變結(jié)構(gòu)控制器，在同時(shí)存在三相電網(wǎng)不平衡和變換器參數(shù)不確定（變化）這樣更接近于實(shí)際的工況下時(shí)，改善了變換器的性能。⑸提出采用論域減縮的模糊控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)FB-ZVZCS變換器控制，在未知后級(jí)變換器模

8、型的情況下，得到了比傳統(tǒng)PI控制方法更好的控制性能。后級(jí)FB-ZVZCS變換器傳統(tǒng)的控制方法基于小信號(hào)線性化模型和線性系統(tǒng)理論設(shè)計(jì)控制器，然而小信號(hào)模型的準(zhǔn)確性依賴于工作點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載等參數(shù)隨工作狀態(tài)變化時(shí)，傳統(tǒng)方法控制性能變差。本文設(shè)計(jì)了變論域模糊控制方法提高變換器性能，該方法不依賴于對(duì)象精確模型，同時(shí)論域收縮因子的使用，解決了模糊控制效果受限于模糊變量和模糊規(guī)則數(shù)量，響應(yīng)速度和控制精度無法兼顧的問題，在保證相應(yīng)快速性的前提下，提高了后級(jí)