功率变换器的能量成形控制研究

论文摘要

运用一种新型的端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统能量成形原理,研究了两种非线性控制系统Buck-Boost变换器和三相电压型AC-DC变换器的建模与反馈控制问题。同时,对所设计的控制系统在MATLAB/SIMULINK软件环境下进行了仿真研究,仿真结果验证了所设计控制系统的优良性能。首先,综述了功率变换器控制策略的国内外发展动态,并从以下三个方面进行了分析:常规控制方法、现代控制方法、新型控制方法。更进一步,介绍了欧拉—拉格朗日（EL）系统和PCHD系统的能量成形控制方法的发展状况,给出了系统的无源性、稳定性、耗散性的定义,介绍了能量成形和能量平衡方程,并给出了PCHD系统控制器的设计方法和反馈镇定理论。其次,分析了PCHD系统的重要特性,从能量平衡的观点出发,分别建立了Buck-Boost变换器和三相电压型AC-DC变换器的PCHD数学模型。为了解决问题,在原始数学模型的基础上,分析并建立了两种功率变换器相应的PCHD系统状态空间平均（SSA）模型。第三,采用能量成形控制方法,在PCHD系统的SSA模型基础上,分别给出了两种功率变换器的控制器求取过程,此外,对于Buck-Boost变换器,引入扩展积分控制环节,对系统再次进行建模和控制器求取。利用MATLAB/SIMULINK仿真软件,对已求取的反馈控制系统进行仿真研究,仿真结果表明,无论是Buck-Boost变换器还是三相电压型AC-DC变换器,按照PCHD系统能量成形理论所求取的控制器,对负载扰动及参数变化均具有较强的抑制能力,得到了很好的效果。最后,总结了论文的主要研究工作和结论,并提出了将来有待解决的问题。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第一章 功率变换器的控制策略概述
• 1.1 功率变换器控制国内外发展现状
• 1.1.1 功率变换器的常规控制方法
• 1.1.2 功率变换器的现代控制方法
• 1.1.3 功率变换器的新型控制方法
• 1.2 能量成形控制方法的国内外发展现状
• 1.2.1 无源性控制方法
• 1.2.2 端口受控耗散哈密顿系统的能量成形控制方法
• 第二章 端口受控耗散哈密顿系统的能量成形控制方法
• 2.1 无源系统
• 2.1.1 无源系统和耗散性
• 2.1.2 无源系统的稳定性
• 2.2 无源系统的能量成形
• 2.2.1 无源系统的反馈互联
• 2.2.2 无源系统的能量平衡方程
• 2.3 端口受控耗散哈密顿系统
• 2.3.1 欧拉—拉格朗日方程和哈密顿方程
• 2.3.2 端口受控哈密顿系统（PCH系统）
• 2.3.3 端口受控耗散哈密顿系统（PCHD系统）
• 2.4 端口受控耗散哈密顿系统的能量成形控制方法及其扩展
• 2.4.1 应用互联和阻尼配置的PCHD系统能量成形控制方法
• 2.4.2 端口受控耗散哈密顿系统的积分控制引入
• 2.4.3 端口受控耗散哈密顿系统的动态扩张法阻尼注入
• 2.4.4 端口受控耗散哈密顿系统的自适应阻尼注入
• 2.5 本章小结
• 第三章 功率变换器的PCHD数学模型和状态空间平均模型
• 3.1 功率变换器的建模分析及一般步骤
• 3.1.1 功率变换器的控制特点及其建模方法
• 3.1.2 变结构系统的状态空间平均模型
• 3.2 Buck-Boost变换器的建模方法
• 3.2.1 分析Buck-Boost变换器工作原理
• 3.2.2 建立Buck-Boost变换器的PCHD数学模型
• 3.2.3 建立Buck-Boost变换器的状态空间平均模型
• 3.3 三相电压型AC-DC变换器的建模方法
• 3.3.1 分析三相电压型AC-DC变换器的工作原理
• 3.3.2 建立三相电压型AC-DC变换器的PCHD数学模型
• 3.3.3 建立三相电压型AC-DC变换器的状态空间平均模型
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于能量成形控制方法的功率变换器控制器设计
• 4.1 Buck-Boost变换器的能量成形控制方法
• 4.1.1 基于PCHD模型的Buck-Boost变换器控制器设计
• 4.1.2 系统稳定性分析
• 4.2 Buck-Boost变换器的能量成形扩展控制方法
• 4.2.1 常规控制器存在的问题及解决方法
• 4.2.2 引入积分控制作用
• 4.3 三相电压型AC-DC变换器的能量成形控制方法
• 4.3.1 基于PCHD模型的三相电压型AC-DC变换器控制器设计
• 4.3.2 系统稳定性分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 仿真研究及结果分析
• 5.1 基于MATLAB/SIMULINK平台的功率变换器仿真研究
• 5.1.1 在MATLAB/SIMULINK平台上仿真的基本方法
• 5.1.2 在MATLAB/SIMULINK平台上实现功率变换器关键器件
• 5.2 基于能量成形控制方法的Buck-Boost变换器系统仿真研究
• 5.2.1 Buck-Boost变换器的仿真模型
• 5.2.2 Buck-Boost变换器的仿真参数选择
• 5.2.3 Buck-Boost变换器的仿真数据及分析
• 5.3 引入积分控制后的Buck-Boost变换器系统仿真研究
• 5.3.1 引入积分控制后的Buck-Boost变换器仿真模型
• 5.3.2 引入积分控制后的Buck-Boost变换器仿真参数选择
• 5.3.3 引入积分控制后的Buck-Boost变换器仿真数据及分析
• 5.4 基于能量成形控制方法的三相电压型AC-DC变换器系统仿真研究
• 5.4.1 三相电压型AC-DC变换器的仿真模型
• 5.4.2 三相电压型AC-DC变换器的仿真参数选择
• 5.4.3 三相电压型AC-DC变换器的仿真数据及分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢