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Buck型逆变器高阶系统布尔型滑模控制及反馈线性化最优控制研究

陈江辉  
【摘要】: 随着电力电子技术的飞速发展,逆变器在国防、通讯、工业和交通运输等领域的应用越来越广泛,且在新型能源产业发展中具有广阔的应用前景,因此对逆变器的要求也越来越高。针对传统逆变器性能上所存在的不足,人们从主电路或控制策略入手改善和提高逆变器的性能指标,其中由直流变换器构成的逆变器具有独特优势,人们对它越来越重视,成为逆变器的研究热点。同时直流变换型逆变器是一类典型的开关非线性系统,将传统控制理论应用于这类系统具有较大的局限性,其动态响应及控制精度不尽如人意。因此将非线性控制理论引入到逆变器的控制策略中,提高逆变器控制性能,具有重要的理论意义和实际意义。 滑模变结构控制(简称滑模控制)本质上是一类特殊的非线性控制技术,其具有稳定范围宽、动态响应快、对参数变化和扰动不敏感等优点。从逆变器本身的开关工作特性来看,它正是周期性的变结构系统,因此滑模变结构控制方法是对它具有强适用性的控制方式。本文在总结和归纳现有的逆变器控制技术基础上,围绕逆变器的滑模控制技术展开研究,提出了基于逆变器高阶系统布尔型滑模控制策略,并将其应用到Buck型逆变器(单Buck型逆变器和双Buck型逆变器)中,取得了非常好的控制效果,拓展滑模控制方法在逆变器中的应用。 本文深入研究基于Buck型DC-DC变换器实现逆变器的方法和理论,系统地分析了电路拓扑、等效电路模型和数学模型;给出基于类似Lyapunov函数的布尔型滑模控制方法的理论分析。针对单Buck型逆变器,提出了一种带有源缓冲电路软开关单Buck逆变器,建立了三阶系统状态空间平均法模型,构建了全状态变量滑模切换函数,给出了基于类似Lyapunov函数布尔型滑模控制的实际控制律推导过程。数值仿真和实验结果表明该带有源缓冲电路单Buck型逆变器提高了系统效率,同时验证单Buck型逆变器所采用布尔型滑模控制的正确性和可行性。另外针对双Buck型逆变器,应用状态空间平均建模法,建立了双Buck型逆变器的四阶系统模型,构建其全状态二阶滑模切换函数,同样采用基于类似Lyapunov函数指标的布尔型滑模控制策略,对系统进行分析得出实际控制律,数值仿真和实验验证了理论分析的正确性。最后对Buck型逆变器各阶系统的布尔型滑模控制策略进行了比较分析。 基于微分几何理论的反馈精确线性化非线性控制方法近年来引起了大量研究者的关注,这种方法的核心思想是把一个非线性系统通过状态变换成一个完全或者部分线性系统,因此能够应用线性系统控制的技巧;该方法已经成功地用于解决电力系统、电机控制和电力电子直流变换器控制领域,然而这些研究都没有涉及到逆变器非线性系统。本文将微分几何理论应用于逆变器控制中,提出了基于Buck型逆变器的状态反馈线性化非线性控制策略,该控制策略是建立在Buck型逆变器非线性数学模型的基础上,采用状态反馈精确线性化的方法推导出线性系统模型,并辅以成熟线性控制理论,获得良好控制效果,是非线性控制理论应用于逆变器领域的一个新尝试。 本文简要介绍了反馈线性化非线性控制的基本理论,详细分析了开关变换器反馈线性化特性,给出了非线性系统实现状态反馈线性化的条件和反馈精确线性化的设计步骤。以Buck型逆变器为研究对象,对其进行建模分析,得到适用于微分几何理论的仿射非线性模型,应用微分几何理论分析了Buck型逆变器状态反馈精确线性化的充要条件,同时分别推导出单Buck型逆变器和双Buck型逆变器的坐标变换矩阵,将原非线性系统转化为线性系统。针对Buck型逆变器的线性系统,分别采用二次型指标最优控制策略与在其基础上的无源性指标最优控制策略导出两种控制策略的加权矩阵Q和R,得出相应线性反馈控制律,在此基础上得出原非线性系统的反馈控制律。数值仿真结果表明采用非线性控制策略所构建的反馈系统具有良好的稳定特性,同时动态响应特性得到明显的改善,使得微分几何理论在逆变器控制系统中的应用具有一般性理论和实际应用意义。最后就单Buck型和双Buck型逆变器,对状态反馈精确线性最优控制策略和高阶系统布尔滑模控制策略进行了比较分析。


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