三相四线制Boost三电平整流器的控制技术研究

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随着社会经济的快速发展,用电设备对电能质量的要求越来越高、对不中断供电的需求越来越广泛,不间断电源成为各个行业用电系统的重要设备。整流器作为不间断电源系统的重要组成部分,其性能不仅影响输入电网质量,而且影响后级逆变器,因此,对不间断电源前级整流器的研究具有重要意义。三相四线制Boost三电平整流器具有功率密度高、功率管电压应力低,易于实现功率因数校正等优点,同时三相四线制结构可以实现三相解耦,简化控制策略。因此,本文以三相四线制Boost三电平整流器为研究对象,通过对控制策略的研究来实现输入端功率因数校正、输出端直流电压稳定的目的,促进该整流器在不间断电源中的应用。本文首先对三相四线制Boost三电平整流器进行物理解耦,将该拓扑等效为三个单相Boost三电平整流器输出并联结构,给出了该整流拓扑的详细工作原理。接着分别在电感电流连续导通、断续导通模式下对该拓扑进行数学建模,得到两种工作模式下的稳态模型与小信号交流模型,为控制环路的理论分析奠定基础。同时考虑三电平特性导致单L滤波器使用的局限性,在输入端引入LCL滤波器,对LCL滤波器进行建模分析。接着详细分析了采用电流内环、电压外环双环控制实现该整流器功率因数校正的控制原理,并基于系统的稳定性以及稳态性能、动态性能进行了详细的控制器参数设计。为了进一步降低输入电流的THD,提出将重复控制器引入整流器电流内环中。通过比较重复控制器与PI调节器串并联两种结合方式的优缺点,最终确定选用重复控制器与PI相并联的控制方式,以解决重复控制器引起的系统动态性能较差的弊端。通过Matlab/Simulink软件仿真比较了加入重复控制器前后的输入电流波形以及系统的动态性能。最后基于数字控制系统设计并搭建了一台10kW三相四线制Boost三电平整流器原理样机,实验结果表明,在电流内环中引入重复控制器可以进一步降低输入电流THD,提高输入功率因数。
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