400Hz大功率航空地面电源高性能控制策略研究

【类型】学位论文

【作者】李子欣 

【摘要】400Hz大功率航空地面电源(GroundPowerUnit,GPU)通常由输入侧与电网相连的整流器和输出侧的400Hz逆变器构成。本论文分两个部分,分别以工频PWM整流器和400Hz逆变器为研究对象,从理论分析、计算机仿真和实验验证三个方面深入研究了400Hz大功率航空地面电源输入侧和输出侧的高性能控制策略。 首先,作为整篇论文大部分控制算法的基础,分析了谐振控制器及其特性,研究了同步旋转坐标系下的积分器与静止坐标系下的谐振控制器之间的关系。同时分析了数字控制中谐振控制器的离散化问题。 接着,以PWM整流器为研究对象,分析了PWM整流器在两相静止坐标系下的瞬时功率。在此基础上,提出了PWM整流器在两相静止坐标系下的准直接功率控制方法。对电网电压含有谐波时的情况也提出了抑制输入电流谐波的一种方法。本文提出的准直接功率控制方法无需电网电压相位检测,也无需旋转坐标变换,在静止坐标系下即可实现电网侧单位功率因数运行。仿真和实验结果表明,所提出的准直接功率控制策略稳态性能优良,动态响应迅速。 本论文还研究了电网电压不平衡条件下PWM整流器在两相静止坐标下的控制策略,首次提出了输入功率控制、输入-输出功率控制和输出功率控制三种算法在两相静止坐标系下的实现方法。与传统的PWM整流器在电网电压不平衡情况下的控制算法相比,本文提出的算法无需电网电压相位检测和旋转坐标变换,最为重要的是也取消了正、负序分量提取,大大简化了控制的实现过程。仿真和实验结果验证了所提出控制方法的正确性和有效性。 本论文还研究和分析了三相输出变压器和LC滤波器对三相逆变器输出特性的影响。分析了不同铁芯柱数目、不同连接方式的三相输出变压器和三相滤波电感以及LC滤波器不同的放置位置对逆变器输出特性的影响。为带输出变压器的三相逆变器的设计提供了指导原则,也为逆变器的控制提供了理论依据。 为了实现高性能数字控制,本论文还研究和分析了400Hz逆变器数字控制中存在的特殊问题。分析了数字控制中的各种延时对基于PI调节器的400Hz逆变器控制性能的影响,指出了这些方法难以使逆变器获得高性能的因为。同时,对减小或消除400Hz逆变器数字控制中各种延时的方法也进行了分析。 最后,分析了数字化延时对400Hz逆变器采用基于PR调节器的双闭环控制系统性能的影响。在此基础上,提出了400Hz逆变器一种新型的单电压环控制策略,并在离散时间域内提出了控制器参数的设计方法。与现有文献中关于400Hz逆变器的控制方法相比,本论文提出的单环控制策略具有无需旋转坐标变换,控制结构简单,控制器参数少等优点。线性、非线性、平衡以及不平衡负载的实验结果表明本文提出的单环控制策略正确可行,动态、静态性能优良。

【学位名称】博士

【学位授予单位】中国科学院研究生院

【学位授予年度】2016

【导师姓名】李耀华，王平

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