三相電壓型逆變器的精確線性化和反步法控制研究.pdf

1、三相電壓型逆變器是一種廣泛應(yīng)用于交流調(diào)速、不間斷電源、感應(yīng)加熱電源、太陽能及風(fēng)能發(fā)電等領(lǐng)域的功率變換器，隨著應(yīng)用的普及，人們對(duì)三相電壓型逆變器系統(tǒng)的性能要求越來越高。在逆變器電路拓?fù)湟欢ǖ臈l件下，優(yōu)越的控制策略是提高逆變器性能的一個(gè)關(guān)鍵因素，因而控制策略的研究對(duì)逆變器的高效應(yīng)用具有十分重要的意義。
　　三相電壓型逆變器的電路本質(zhì)是:時(shí)變的、耦合的、多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)。常規(guī)的線性控制難以滿足三相電壓型逆變器這個(gè)非線性系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)

2、響應(yīng)和控制精度的要求，這就需要用非線性控制理論和技術(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。關(guān)于三相逆變器的非線性控制，典型的滑模變結(jié)構(gòu)控制、重復(fù)控制、無差拍控制、自抗擾控制、無源控制、模糊控制等已有學(xué)者做過系統(tǒng)研究，但對(duì)其應(yīng)用精確線性化控制、反步法控制的文獻(xiàn)報(bào)道很少，因此，本文對(duì)三相電壓型逆變器的精確線性化和反步法控制進(jìn)行了研究。其主要工作和成果如下:
　　首先建立了三相三橋臂、四橋臂電壓型逆變器多輸入多輸出系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。針對(duì)這類離散的、多模態(tài)的、非線

3、性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，引入開關(guān)函數(shù)將多模態(tài)電路統(tǒng)一到一組方程中，再用開關(guān)周期平均算子將離散的系統(tǒng)變換為連續(xù)的系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的大信號(hào)模型。應(yīng)用小信號(hào)擾動(dòng)法將非線性的系統(tǒng)變換為線性的系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)的小信號(hào)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。推導(dǎo)出從控制輸入到逆變器輸出的傳遞函數(shù)。并在相同電路參數(shù)條件下，用PSIM仿真軟件對(duì)基于開關(guān)模型的變換器的頻域特性和理論推導(dǎo)所得傳遞函數(shù)模型的頻域特性做了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的合理性。為設(shè)計(jì)閉環(huán)控制系統(tǒng)提供了相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。<

4、br>　　在討論了多輸入多輸出非線性系統(tǒng)精確線性化的條件和線性化的步驟后，將精確線性化控制理論應(yīng)用于多輸入多輸出三相三橋臂、四橋臂電壓型逆變器非線性系統(tǒng)中。首先依據(jù)系統(tǒng)的主要控制目標(biāo)選取狀態(tài)變量、輸入變量和輸出變量，得到適合于微分幾何方法的多輸入多輸出的仿射非線性系統(tǒng)模型。再根據(jù)非線性微分幾何理論，從理論上證明了該模型滿足多輸入、多輸出系統(tǒng)精確線性化的條件，推導(dǎo)出非線性狀態(tài)反饋控制律。對(duì)非線性坐標(biāo)變換后得到的線性系統(tǒng)，利用二次型最優(yōu)控制

5、策略時(shí)，為提高閉環(huán)系統(tǒng)快速性，使系統(tǒng)受到干擾后系統(tǒng)的狀態(tài)變量盡快收斂到期望值，構(gòu)造出二次型性能指標(biāo)積分變量第一項(xiàng)函數(shù)，并推導(dǎo)出權(quán)矩陣的參數(shù)形式。將最優(yōu)化得到的控制律進(jìn)行逆變換來實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)的優(yōu)化控制設(shè)計(jì)。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可行性。
　　在討論了具有參數(shù)嚴(yán)格反饋形式的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)反步設(shè)計(jì)法的基本原理和步驟后，文中提出將反步設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于多輸入多輸出三相三橋臂、四橋臂電壓型逆變器非線性系統(tǒng)中。首先將前

6、面建立的三相三橋臂、四橋臂電壓型逆變器的數(shù)學(xué)模型化為具有參數(shù)嚴(yán)格反饋形式的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，然后通過逐步選擇虛擬控制量和構(gòu)造李雅普諾夫函數(shù)，使系統(tǒng)中每個(gè)電容電壓和電感電流狀態(tài)分量具有適當(dāng)?shù)臐u近特性，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)在大擾動(dòng)下的全局漸近穩(wěn)定性，得到反饋控制律的一般表達(dá)式。最后通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。
　　為了克服反步法和精確線性化法在三相電壓型逆變器帶性質(zhì)可變負(fù)載中的應(yīng)用局限性，文中提出一種非線性控

7、制方法—暫穩(wěn)控制方法。通過對(duì)一類伴隨非線性系統(tǒng)應(yīng)用非線性設(shè)計(jì)中常用的四種方法（反步設(shè)計(jì)方法、滑動(dòng)模態(tài)控制方法、常用的反饋線性化方法和基于動(dòng)平衡狀態(tài)理論的反饋線性化直接方法）得到的輸入控制律中包含的信息分析，提出和上述四種方法包含控制信息一致的一種控制方法——暫穩(wěn)控制方法，討論了該控制方法的實(shí)現(xiàn)步驟。將暫穩(wěn)控制方法應(yīng)用到三相三橋臂和四橋臂電壓型逆變器中去，按照暫穩(wěn)控制設(shè)計(jì)步驟確定了穩(wěn)態(tài)控制量和暫態(tài)控制量。再通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的

8、有效性和可行性。該方法避開了繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，僅僅調(diào)試幾個(gè)參數(shù)便可實(shí)現(xiàn)非線性控制，達(dá)到較滿意的控制效果。
　　三相四橋臂電壓型逆變器接中性線電感能削弱第四橋臂開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的諧波對(duì)三相輸出的影響，但中性線電感的引入使系統(tǒng)完全耦合，控制變得復(fù)雜。為了克服上述不足，文中提出了一種三相四橋臂電壓型逆變器解耦電路拓?fù)?，分析了這種四橋臂逆變器拓?fù)涞墓ぷ髟恚⒘似鋽?shù)學(xué)模型。并對(duì)無中性線電感、有中性線電感和解耦三相四橋臂逆變器進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)研究