单相电压型PWM整流器的预测控制

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在牵引传动系统中,单相PWM整流器需要实现中间直流环节的电压稳定输出,且要保证网侧功率因数稳定,当列车运行于牵引工况时,保证网侧电压电流相位相同;运行于制动工况时,保证网侧电压电流相位相反,实现电能的双向流动。因此PWM整流器的控制策略选择对于提高电网功率因数、减小网侧电流谐波、以及直流电压稳定输出有着重要的影响。本文以两种动车组PWM整流器拓扑结构(单相两电平结构/单相三电平结构)为例,首先分析了单相PWM整流器四象限运行原理,并通过分析两种拓扑结构工作状态建立对应数学模型;其次基于有限集模型预测控制对两种整流器拓扑结构建立离散模型,给出了代价函数选择方案。为了改善单步预测控制存在控制延时而导致系统预测不准确的问题,基于传统有限集模型预测控制加入了延时补偿策略,通过仿真表明延时补偿策略能够保证系统单位功率因数运行,且功率波动较小,电流谐波含量低;针对系统在线优化过程计算量过大的问题,本文提出一种简化代价函数寻优过程的方法,通过仿真波形可以看出电压和功率脉动均明显减小,且电流THD较低。此外,关于单相三电平PWM整流器中点电位不平衡问题,文中阐述了导致该问题的原因,并在控制算法中代价函数建立环节加入相应的改进策略,通过仿真表明三电平整流器中两个支撑电容电压幅值能够保持相等,有少许波动但波动范围较小。本文针对单相两电平/三电平PWM整流器建立了仿真模型,基于Matlab/Simulink平台进行仿真,对文中提到的传统有限集模型预测控制、加入延时补偿的以及简化代价函数寻优过程的改进策略进行验证,仿真结果验证了上述控制策略和改进算法的正确性。
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