非理想电网下的瞬时功率理论及PWM整流器运行机理和优化控制研究

For the control of PWM rectifier under nonideal grid voltage conditions, this project proposes a novel universal instantaneous power theory suitable for both ideal and nonideal grid condition, which is based on the study and improvement of extended instantaneous power theory. The features of the novel power theory is that it can be combined seamlessly with the control system based on conventional instantaneous power theory without any modification on the control structure and sequence decomposition. It is only required to replace the active power and reactive power in conventional instantaneous power theory with those in the novel power theory to achieve flexible and effective control of active power ripple, reactive power ripple and current harmonics. Based on the proposed novel power theory, the possible phenomena of multiple solutions when controlling both input/output power and current harmonics are explained form the view of math and physics and selected in an optimal way, hence revealing the inherent operating mechanism of PWM rectifier under generalized distorted network. Finally, the multiple-vectors-based robust predictive control having adaptability to inductance variations is studied. It is further combined with the novel power theory to provide a novel and complete solution to the control of PWM rectifier under both ideal and distorted network with high reliability and excellent steady state and dynamic performance. The research outcome can also be applied to the areas of grid-connected inverter, active power filter, harmonic and reactive power compensation, which has extensive and profound theoretical value and practical use.

针对非理想电网下的PWM整流器控制，本项目在深入研究和完善不平衡电网下的扩展瞬时功率理论的基础上，提出一种在理想和非理想电网下都能适用的通用新型瞬时功率理论。其特点是可以和现有基于传统瞬时功率理论的控制系统无缝结合，无需控制结构改变以及正负序分解，仅把原来的有功无功更换为新型功率理论中的有功无功即可实现有功脉动、无功脉动和电流谐波的灵活高效控制。基于该新型功率理论深入剖析在实现输入输出功率和电流谐波同时控制时的多组解现象并从数学和物理的角度进行解释和优化选择，从而揭示一般畸变电网下PWM整流器的运行机理。最后研究能够适应电感参数变化的多矢量鲁棒模型预测控制，并与新型瞬时功率理论相结合，为PWM整流器控制提供在理想和畸变电网下都能够可靠运行并且具有优异动静态性能的新型完整解决方案。项目研究成果可推广应用到新能源并网逆变器、有源滤波、谐波和无功补偿等领域，具有广泛而深刻的理论意义和应用价值。

由于负载不平衡以及电网故障等因素，实际电网通常是含有负序分量和低次谐波的非理想电网。如果直接沿用理想电网下的控制方法，会带来电流畸变、功率振荡和母线电压波动等问题。针对非理想电网下的PWM整流器控制，现有方法大都基于传统瞬时功率理论并且采用矢量控制框架，通常需要电网电压和电流的正负序分解、旋转坐标变换、复杂滤波器设计、调节器整定等工作，增加了系统的复杂度和调试难度，因此需要研究开发更为简洁有效的控制方案。.为了解决传统瞬时功率理论在不平衡电网下的不足，在国际上首次解析推导出不平衡电网下瞬时有功和扩展无功的微分表达式，提出了基于扩展瞬时功率理论的矢量表DPC和占空比DPC、双矢量MPC以及SVM-DPC等一系列方法，仅需将传统无功更换为扩展无功即可有效减小电流谐波和有功脉动。基于扩展瞬时功率理论，通过分析网侧电感的瞬时功率得到了极为简洁有效的功率补偿表达式，仅需在原始的功率参考值加一个功率补偿值即可减小母线电压波动达75%，同时维持网侧电流正弦。提出一种基于梯度校正法的在线电感参数辨识方法并与改进的DPC相结，即使在电感参数不准确的情况下也能够获得正弦网侧电流并减小母线电压波动。提出一种基于滑模观测器的无电网电压传感器控制，通过构造变速滑模趋近律实现对正序和负序电压分量的快速精确提取，同时能有效的抑制直流分量，在降低成本的同时提高了系统的可靠性。提出一种将信号延迟法和二阶广义积分器结合的虚拟磁链估计方法，实现了畸变电网下的无电网电压传感器控制。深入研究了传统基于SVM的无差拍控制和有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)及其改进方法的联系和区别，提出一种统一多矢量MPC。.基于该项目的研究，培养硕士3名，在国际学术期刊、国际会议及国内核心期刊上发表论文21篇，其中，SCI收录14篇、EI收录7篇（不含SCI收录的），获国家发明专利6项，出版译著1部，在国际电机与系统会议上做专题报告，对项目成果进行系统介绍，得到广泛关注。