三相电压型逆变器精确线性化和反步法控制研究

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1、摘要0IIIIIIlllJlIIIIIIHIIII)111IY2347677论文题目：三相电压型逆变器的精确线性化和反步法控制研究学科专业：电力电子与电力传动指导教师：钟彦儒教授摘要签名：墨筮啦三相电压型逆变器是一种广泛应用于交流调速、不间断电源、感应加热电源、太阳能及风能发电等领域的功率变换器，随着应用的普及，人们对三相电压型逆变器系统的性能要求越来越高。在逆变器电路拓扑一定的条件下，优越的控制策略是提高逆变器性能的一个关键因素，因而控制策略的研究对逆变器的高效应用具有十分重要的意义。三相电压型逆变器的电路本质是：时变的、耦合的、多输入多输出的非线性系

2、统。常规的线性控制难以满足三相电压型逆变器这个非线性系统的动态响应和控制精度的要求，这就需要用非线性控制理论和技术对其进行分析。关于三相逆变器的非线性控制，典型的滑模变结构控制、重复控制、无差拍控制、自抗扰控制、无源控制、模糊控制等已有学者做过系统研究，但对其应用精确线性化控制、反步法控制的文献报道很少，因此，本文对三相电压型逆变器的精确线性化和反步法控制进行了研究。其主要工作和成果如下：首先建立了三相三桥臂、四桥臂电压型逆变器多输入多输出系统的数学模型。针对这类离散的、多模态的、非线性的动态系统，引入开关函数将多模态电路统一到一组方程中，再用开关周期平

3、均算子将离散的系统变换为连续的系统，建立了系统的大信号模型。应用小信号扰动法将非线性的系统变换为线性的系统，建立了系统的小信号动态数学模型。推导出从控制输入到逆变器输出的传递函数。并在相同电路参数条件下，用PSIM仿真软件对基于开关模型的变换器的频域特性和理论推导所得传递函数模型的频域特性做了仿真实验，验证了数学模型的合理性。为设计闭环控制系统提供了相应的理论基础。在讨论了多输入多输出非线性系统精确线性化的条件和线性化的步骤后，将精确线性化控制理论应用于多输入多输出三相三桥臂、四桥臂电压型逆变器非线性系统中。首先依据系统的主要控制目标选取状态变量、输入变

4、量和输出变量，得到适合于微分几何方法的多输入多输出的仿射非线性系统模型。再根据非线性微分几何理论，从理论上证明了该模型满足多输入、多输出系统精确线性化的条件，推导出非线性状态反馈控制律。对非线性坐标变换后得到的线性系统，利用二次型最优控制策略时，为提高闭环系统快速性，使系统受到干扰后系统的状态变量尽快收敛到期望值，构造出二次型性能指标积分变量第一项函数，并推导出权矩阵的参数形式。将最优化得到的控制律进行逆变换来实现原系统的优化控制设计。最后通过仿真和实验验证了该控制策略的有效性和可行性。西安理工大学博士学位论文在讨论了具有参数严格反馈形式的多输入多输出非

5、线性系统反步设计法的基本原理和步骤后，文中提出将反步设计方法应用于多输入多输出三相三桥臂、四桥臂电压型逆变器非线性系统中。首先将前面建立的三相三桥臂、四桥臂电压型逆变器的数学模型化为具有参数严格反馈形式的多输入多输出非线性系统数学模型，然后通过逐步选择虚拟控制量和构造李雅普诺夫函数，使系统中每个电容电压和电感电流状态分量具有适当的渐近特性，从而实现整个系统在大扰动下的全局渐近稳定性，得到反馈控制律的一般表达式。最后通过仿真和实验验证了该方法的有效性和可行性。为了克服反步法和精确线性化法在三相电压型逆变器带性质可变负载中的应用局限性，文中提出一种非线性控制

6、方法一暂稳控制方法。通过对一类伴随非线性系统应用非线性设计中常用的四种方法(反步设计方法、滑动模态控制方法、常用的反馈线性化方法和基于动平衡状态理论的反馈线性化直接方法)得到的输入控制律中包含的信息分析，提出和上述四种方法包含控制信息一致的一种控制方法——暂稳控制方法，讨论了该控制方法的实现步骤。将暂稳控制方法应用到三相三桥臂和四桥臂电压型逆变器中去，按照暂稳控制设计步骤确定了稳态控制量和暂态控制量。再通过仿真和实验验证了该控制方法的有效性和可行性。该方法避开了繁琐的数学推导，仅仅调试几个参数便可实现非线性控制，达到较满意的控制效果。三相四桥臂电压型逆变

7、器接中性线电感能削弱第四桥臂开关动作产生的谐波对三相输出的影响，但中性线电感的引入使系统完全耦合，控制变得复杂。为了克服上述不足，文中提出了一种三相四桥臂电压型逆变器解耦电路拓扑，分析了这种四桥臂逆变器拓扑的工作原理，建立了其数学模型。并对无中性线电感、有中性线电感和解耦三相四桥臂逆变器进行仿真和实验研究，通过对比验证了该拓扑解耦的合理性。关键词：三相电压型逆变器；建模；精确线性化；反步法；暂稳控制；解耦IIABSTRACTTitle：RESEARCHFORCONTROLOFTHREE．PHASEVOL-TAGESOURCEINVERTERBYEXACT

8、LINEARIZATIONANDBACK．STEPPINGDESIGNAPPRO