基于內(nèi)模原理的恒壓恒頻電力電子變流器優(yōu)化控制技術(shù)研究.pdf

1、目前應(yīng)用在恒壓恒頻電力電子變流系統(tǒng)的控制方案多為無差拍控制、線性狀態(tài)反饋控制等常規(guī)反饋控制與基于內(nèi)模原理的重復(fù)/諧振控制相互組合的復(fù)合控制方案。
　　 常規(guī)反饋控制器的設(shè)計(jì)是建立在被控對(duì)象的精確模型基礎(chǔ)上?？墒?，在實(shí)際應(yīng)用中，由于參數(shù)變化，非線性負(fù)載和時(shí)變負(fù)載等不確定因素使得變流器的實(shí)際模型偏離標(biāo)稱模型。因此，當(dāng)擾動(dòng)發(fā)生的情況下，基于精確模型設(shè)計(jì)的反饋控制器往往難以保證系統(tǒng)固有的性能，甚至使系統(tǒng)失控。魯棒控制理論是分析和設(shè)計(jì)不確

2、定系統(tǒng)的一種強(qiáng)有力的工具，主要解決了被控對(duì)象不確定建模問題和在一定范圍內(nèi)因模型變化而引起控制系統(tǒng)性能惡化的控制難題。在一定的不確定范圍內(nèi)，通過優(yōu)化折中系統(tǒng)的各種性能指標(biāo)，使得設(shè)計(jì)的反饋控制器即使在擾動(dòng)發(fā)生的情況下，依然能保證系統(tǒng)固有的性能。然而，魯棒反饋控制器由于要兼顧魯棒性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，且無記憶和學(xué)習(xí)能力，其穩(wěn)態(tài)跟蹤精度通常得不到保證。
　　 基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制，具有良好的在線學(xué)習(xí)能力且算法簡單，對(duì)周期性的交流參考信號(hào)能

3、得到很高的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度，對(duì)周期性擾動(dòng)有很好的抑制作用。然而，閉環(huán)系統(tǒng)的相位滯后制約著重復(fù)控制系統(tǒng)的性能提升。另外，由于其內(nèi)模結(jié)構(gòu)中的長延遲環(huán)節(jié)，重復(fù)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度上，雖然同樣基于內(nèi)模原理的諧振控制要快于重復(fù)控制，可是，在對(duì)多個(gè)正弦信號(hào)進(jìn)行跟蹤和抑制時(shí)，諧振控制器的“單譜”特性決定了需要多個(gè)諧振控制器并聯(lián)使用。然而，諧振控制器在諧振頻率處具有-π相位跳變，高階諧振控制器，特別是逆變器在整流器負(fù)載條件下，會(huì)大幅降

4、低諧振控制系統(tǒng)的相位裕度，甚至導(dǎo)致相位裕度不滿足穩(wěn)定條件。因此，無相位補(bǔ)償?shù)亩嘀C振控制系統(tǒng)的性能受限，難以進(jìn)一步提高。
　　 基于以上分析，本文提出了基于內(nèi)模原理的相位補(bǔ)償魯棒重復(fù)控制技術(shù)和基于內(nèi)模原理的相位補(bǔ)償諧振控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于電力電子變流器輸出波形的高精度控制。
　　 1)將魯棒反饋控制與基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制相結(jié)合，提出了魯棒重復(fù)優(yōu)化控制技術(shù)。文中探討了魯棒反饋控制器與基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器之間的協(xié)調(diào)與有

5、機(jī)融合方法，實(shí)現(xiàn)了兩種控制器的優(yōu)勢(shì)性能互補(bǔ)。所提出的魯棒重復(fù)優(yōu)化控制方案的綜合性能良好且易于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)，通過優(yōu)化使之成為高性能與高性價(jià)比的精確控制方案。在一定的不確定范圍內(nèi)，魯棒反饋控制器可確保系統(tǒng)具有快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，以及良好的魯棒性;而重復(fù)控制器則確?？刂葡到y(tǒng)具有高精度穩(wěn)態(tài)跟蹤性能和強(qiáng)有力的諧波抑制能力。
　　 文中給出了完整的魯棒重復(fù)控制技術(shù)設(shè)計(jì)方法與步驟，并開發(fā)了應(yīng)用在三相PWM逆變器的魯棒重復(fù)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即

6、使在非線性負(fù)載條件下，采用魯棒重復(fù)控制策略控制的三相PWM逆變器不僅輸出電壓的總諧波畸變非常小、穩(wěn)態(tài)控制精度高、響應(yīng)快，而且在參數(shù)變化和負(fù)載擾動(dòng)發(fā)生的情況下，具有良好的魯棒性。
　　 2)將常規(guī)反饋控制與基于內(nèi)模原理的諧振控制相互結(jié)合，提出了相位補(bǔ)償諧振優(yōu)化控制技術(shù)。文中借助于重復(fù)控制的相位補(bǔ)償原理，歸納并闡明了諧振控制的相位補(bǔ)償原理，揭示了相位補(bǔ)償重復(fù)控制與相位補(bǔ)償諧振控制之間的有機(jī)聯(lián)系。和相位補(bǔ)償重復(fù)控制相比，相位補(bǔ)償諧振控

7、制能夠獨(dú)立地對(duì)任意的諧波頻率提供所需的相位補(bǔ)償角，以期達(dá)到接近“零相位”的效果，從而能拓寬多諧振系統(tǒng)的穩(wěn)定范圍;通過相位補(bǔ)償，還能將更多的諧振控制器并聯(lián)組合，從而能提高多諧振系統(tǒng)的控制精度;同時(shí)，根據(jù)各諧波占有總諧波畸變率的權(quán)重大小，相應(yīng)地選取各諧振控制器的增益，能大大優(yōu)化多諧振系統(tǒng)的響應(yīng)速度。
　　 文中開發(fā)了應(yīng)用在單/三相PWM逆變器的相位補(bǔ)償諧振控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在整流器負(fù)載條件下，采用相位補(bǔ)償諧振控制方案控制的單/

8、三相PWM逆變器不僅輸出電壓的總諧波畸變非常小、穩(wěn)態(tài)控制精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，而且在負(fù)載突變的情況下，系統(tǒng)仍然具有良好的魯棒性。
　　 3)結(jié)合諧波注入機(jī)理，提出了基于內(nèi)模原理的諧波治理優(yōu)化控制技術(shù)。文中分析了并網(wǎng)PWM變換器諧波注入機(jī)理，闡明了直流側(cè)產(chǎn)生二次及其偶次諧波電壓以及交流側(cè)產(chǎn)生奇次諧波電流的機(jī)理，并推導(dǎo)了電網(wǎng)輸入電流的總諧波畸變率與電網(wǎng)輸入電流的幅值大小關(guān)系，直流側(cè)諧波電壓幅值與功率因數(shù)、電網(wǎng)輸入電流幅值大小關(guān)系。