电压型逆变器控制算法的研究

作     者：王明雷 

作者单位：陕西理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董锋斌;闫新华

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：电压型逆变器 数学模型 SPWM SVPWM 解耦控制 模型预测控制 

摘      要：电压型逆变器(Votage Source Inverter,VSI)被广泛应用于不间断供电电源、新能源发电、新能源汽车等领域,成为了现代工业、居民生活不可或缺的关键设备。为了有效地提高逆变器的性能,合理的控制算法是逆变器系统设计的关键技术之一。然而,逆变器是一类时变的、耦合的程序控制系统,常规比例积分(Proportional Integral,PI)控制规律对此类系统理论上无法实现无静差跟踪,这就需要用别的控制算法来进行有效控制。因此,本论文以VSI为对象,分别对dq坐标系下的解耦控制和模型预测控制算法进行了研究,主要内容如下:首先,建立了Y型负载下的三相VSI系统离散模型,采用开关平均算子将离散模型转化为连续模型。利用dq坐标变换将逆变器三相ABC模型转化为两相dq模型,同时在稳态工作点处进行了线性化处理,进一步得到了其动态dq模型。利用解耦原理得到了无耦合项的三相VSI数学模型。在此基础上,推导了逆变器开环传递函数,为后续的控制算法的研究奠定了理论基础。其次,详细地讨论了正弦波脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)的基本原理,分析了单极性SPWM、双极性SPWM和SVPWM调制的优缺点。最后讨论了二者的区别和联系,并用仿真和实验进行了验证。再次,在所建立的开环传递函数基础上,设计了电压电流双环PI控制器。利用零极点配置原理,得到了控制器的控制参数,并用伯德图对控制参数进行了优化。以微处理器DSP TMS320F28335为核心,搭建了一台750 W三相VSI系统。实验验证了控制算法的合理性和正确性。最后,在单相电压型逆变器离散模型基础上,进行了有限控制集模型预测控制(Finite-Control Set Model-Predictive Control,FCS-MPC)和连续控制集模型预测控制(Continuous-Control Set Model-Predictive Control,CCS-MPC)的研究。讨论了最小代价函数的选择。针对传统MPC的不足,给出了一种改进型MPC控制方法,在改进型MPC控制方法基础上,分别增加了积分和比例积分补偿项。通过比例调节提高系统输出的瞬态特性;利用积分作用增加系统输出稳态性能,降低输出电压的稳态误差。在所搭建的250 W单相VSI系统基础上,进行了算法验证。