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BOOST型电力电子变换器非线性控制策略及非最小相位特性的研究

刘兆娟  
【摘要】: 电力电子开关变换器在电能的传输及功率转换方面得到广泛的应用。从本质上看,电力电子开关变换器是一类典型的开关非线性系统。传统的控制方案多依据工作点附近的小信号线性模型设计控制器。这种控制器只能保证工作点附近的系统性能,对于输出电压(或电流)固定且负载(或电源电压)变化范围较小的应用场合,能够基本满足系统的要求。但对于工作点变化较大的一些特殊应用领域,系统性能却难以保证。针对上述电力电子开关变换器的非线性本质特性,本文在建立变换器仿射非线性数学模型的基础上,利用目前控制领域比较流行的非线性控制策略,对其非线性控制器设计问题进行了研究,旨在实现系统大范围的稳定性,并确保系统有较高的动、静态性能。 输入输出反馈线性化是一种基于微分几何理论的全局意义的线性化方法,可以使复杂的非线性系统综合问题在适当的条件下转化为简单的线性系统综合问题。由于非最小相位特性,导致传统BOOST变换器的控制器设计比较困难。一般的方法是设计系统闭环带宽使其远远小于右半平面零点的转折频率,以避开非最小相位特性对系统稳定性的影响,但这无疑是以牺牲了系统动态响应的快速性为代价的。 对于传统的单相BOOST DC/DC变换器,为了解决非最小相位问题,Viswanathan K对其拓扑结构进行了改进,提出了一种新型三态BOOSTDC/DC变换器的拓扑结构。鉴于其所设计控制器的性能有待进一步提高,本文首次将微分几何理论应用到这种变换器的控制器设计中。在建立了仿射非线性模型的基础上,针对多变量、非线性的特点采用输入输出反馈线性化方法将其转化为一个完全可控的线性系统,再辅以成熟的线性系统控制理论设计控制策略。仿真结果表明:这种非线性控制策略可以使系统获得良好的动态特性,实现大范围内的恒定电压输出,并且在系统存在较大扰动(输入电压和负载变化)的情况下,也能确保系统的稳定性。 对于三相BOOST AC/DC变换器,即三相电压型PWM整流器,在分析其拓扑结构和工作原理的基础上,建立了系统在dq同步旋转坐标系下的仿射非线性模型。首先,本文应用微分几何相关理论,将数学模型化作非线性系统标准型,得到系统零动态的表达式。通过对零动态稳定性的判断,得出了在将电容电压作为系统输出的情况下其为非最小相位系统;而取电感电流作为系统输出的情况下为最小相位系统的结论。据此,选择电感电流为系统的输出反馈量,将有关问题转化为最小相位系统的控制器设计问题。然后,采用输入输出反馈线性化方法获得了外部动态特性稳定的线性系统,并实现了无功电流和有功电流的完全解耦。最后,针对在输入输出反馈线性化过程中以内部动态出现的直流侧电压的控制需要,本文引入了电压外环的模糊控制器,旨在提高系统对于参数变化的鲁棒性,并使直流侧电压具有较快的响应速度。仿真结果表明:与线性控制器相比,这种非线性控制策略可以确保系统获得更高的动、静态性能。


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