广义状态空间平均法在CMPS系统建模中的应用

非接触移动供电系统(CMPS)是一种基于电磁感应耦合原理实现电能从静止电源系统向移动用电设备传输的新型供电系统。由于该系统主电路包含高频逆变网络以及两个相互耦合的谐振网络,导致系统阶数较高,其状态变量也呈现出明显的振荡特性,从而给系统建模与仿真分析带来了很大困难。利用Sanders所提出的广义状态空间平均法,建立了CMPS系统的数学模型,并依据该模型对CMPS系统进行了稳态与暂态分析。

非接触传输系统的广义状态空间平均法分析

采用广义状态空间平均法(GSSA)基于频域分解的思想将系统非线性模型近似成线性连续模型,并依据该模型分析了非接触电能传输技术(CPT)系统的稳态和暂态过程.仿真结果表明,GSSA模型能较快地完成对CPT系统的稳态及暂态分析,且与Simulink创建的精确时域模型的仿真结果一致.在此基础上,给出了系统效率计算方法,分析了直流电感、负载参数对系统效率的影响.

基于广义状态空间平均法的串联谐振三端口DC/DC变换器建模与控制

三端口双向DC/DC变换器的建模方法主要对谐振槽为单一电感或每个端口建模进行研究,缺少对谐振槽为LC谐振的拓扑建模。本文采用一种广义状态空间平均法对串联谐振三端口DC/DC变换器进行建模,并对系统的工作模式、动态建模过程和控制策略进行了研究。通过在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型,对不同工作模式下功率流动进行仿真验证。结果表明,该建模方法设计的控制策略能够获得良好的系统动态响应特性。

基于广义状态空间平均法单相功率因数校正的建模与仿真

功率因数校正(PFC)技术可以在解决由整流装置接入所引起的谐波污染问题上发挥重要作用。状态空间平均法已成功应用于脉宽调制功率变换器电路中;但是在开关变换器电路中有其自身的局限性。在分析升压电路(Boost)型PFC电路工作原理的基础上,利用广义状态空间平均法建立了较传统建模方式精确度较高的小信号数学模型;并与状态空间平均法创建的模型比较。利用该模型在Matlab上设计了双闭环PI调节器的参数。最后通过Matlab仿真验证了该模型的准确性和控制器的可行性。

电流型IPT系统广义状态空间平均法建模与分析

针对目前关于感应电能传输(IPT)系统建模存在的不足,采用广义状态空间平均法建立了电流型IPT系统的线性定常平均模型。基于该模型,根据线性系统理论方法,分析了系统状态变量的运动规律。此外,还分析了等效负载变化时的稳定性和对副边输出电压的影响,以及不同互感参数及副边电感下的传输功率和效率。结果表明,本文的建模方法和分析结果对于电流型IPT系统的实际运动行为有较强的理论指导意义及对系统的设计具有一定的参考价值。

准谐振改进型SEPIC变换器建模与分析

凭借高电压增益及低电压应力的特点,改进型SEPIC变换器广泛地应用于光伏、不间断电源等领域。同时由于其具有良好的软开关特性,可应用于高频场合,以提升功率密度。为了拓宽负载变化范围,改善动态响应,其数学模型的建立至关重要。采用广义状态空间平均法,对基于开关电感的准谐振改进型SEPIC变换器进行建模,建立其对应的小信号模型,并得到系统输出的传递函数。使用K-factor的方法设计补偿器,优化系统的动态性能,设计恒流输出的数字控制实现方法,并通过实验进行了验证。

不平衡非线性负载下三相逆变器的建模与控制

为缓解实际应用场合中不平衡非线性负载对三相逆变器输出电压的影响,并改善混合负载切换时的动态特性,本文提出了基于广义状态空间平均的建模方法和电感电流滑动平均的控制策略。通过广义状态空间平均法对平衡负载下的逆变器进行了准确的建模,并在dq0坐标系下设计了PI控制器,最后利用电感电流滑动平均方法使PI控制器适于三相不平衡负载和非线性负载。与传统控制方法的对比实验表明,本文提出的模型和控制策略能够在保证混合负载下三相电压平衡的基础上,较好地提高负载切换时的动态特性。

具有频率不确定性的π型谐振感应电能传输系统H_∞控制方法

在型谐振感应电能传输(inductive power transfer,IPT)系统中,由于负载及耦合参数变化,导致系统谐振频率产生随机漂移。针对频率不确定条件下的输出控制,利用广义状态空间平均(generalized state space averaging,GSSA)法对系统进行频域建模,将状态变量进行频域展开获得广义状态变量,从而获得线性状态空间模型。借助线性分式变换,将GSSA模型的确定部分与不确定部分分离,从而将系统的不确定模型转化为含摄动反馈的线性动力学系统。在此基础上提出一种基于GSSA模型的H_∞控制方法,又基于频域设计出混合灵敏度H_∞控制器,实现了多变量无静差跟踪鲁棒控制,并利用结构奇异值分析方法校验了鲁棒控制器的稳定性及性能。仿真及实验结果验证了其可行性。

π型感应电能传输系统的鲁棒稳定性分析

为分析π型感应电能传输系统的鲁棒稳定性,首先采用基于频域分解的方法建立对象的广义状态空间平均(GSSA)模型,再考虑系统中的频率不确定性,通过线性分式变换分离对象的摄动和标称部分,将不确定模型进一步转化为含摄动反馈的线性动力学系统.最后,采用基于结构奇异值的μ方法分析了频率摄动对系统稳定性的影响以及系统保持稳定所容许的最大摄动,并利用仿真结果验证了μ理论分析的准确性.

基于电容耦合的非接触电能传输系统模型研究

电容耦合的非接触电能传输(CPT)技术是基于高频电场耦合来实现的,与现有的电感耦合非接触电能传输(IPT)技术相比,CPT技术克服了磁场能量不能在金属屏蔽环境里进行传输的缺点,还可以减小能量损耗及电磁干扰(EMI)。本文分析了CPT系统的工作原理与等效电路模型。由于CPT系统包含电力电子开关和谐振网络,其时域微分方程模型呈现高阶非线性,本文给出了系统的广义状态空间平均模型(GSSA),将系统的时域非线性模型转换成为频域线性状态空间模型,并依据该模型对CPT系统进行了稳态和暂态动力学行为仿真,分析了电路参数变化对系统传输效率的影响。最后本文通过实验验证了模型及仿真结果。

模型跟踪控制应用于非接触感应电能传输

为了将模型跟踪控制应用于非接触感应电能传输系统上,消除广义状态空间平均法对系统矩阵的影响,首先对两者进行原理分析,依据傅里叶变换和拉普拉斯变换的关系及矩阵理论,对状态空间矩阵进行分块和常数化处理,得到适用于模型跟踪控制方法的状态矩阵;通过建立与被控对象输出形式相同的参考模型,分离变量以便单独控制;最后在Simulink平台上对系统进行仿真,验证其可行性.论文提出的将模型跟踪控制应用到非接触感应电能传输系统的方法,使得被控对象可以跟踪参考模型的输出,从而改善电能参数特性,系统建模简单,且可以保存被控对象的物理结构,十分有效.

基于模型预测控制的谐振式无线电能传输系统

近年来无线电能传输以安全、便捷等优势被广泛应用,针对磁耦合谐振式无线电能传输系统输出的可靠性和灵活性问题,采用广义状态空间平均法建立模型,利用模型预测控制器调节输出电压。通过模型仿真,将模型预测控制器与传统PID控制器、模糊PID控制器对设定值的控制效果以及跟踪效果进行对比,结果表明,模型预测控制器输出更为平滑,调节时间更短,控制精度更高,超调量更小,能够很好地达到设定值,且跟踪效果更为稳定。

磁耦合谐振式无线传能系统输出电压GSSA-MPC控制

针对磁耦合谐振式(MCR)无线传能系统中负载变化引起输出电压实时调节的需求,以全桥LCCL系统为研究对象,提出了一种基于状态方程的模型预测控制器(GGSAMPC)。通过广义状态空间平均法(GSSA)对全桥LCCL系统建立等效电路方程并将原副边电压电流进行傅里叶变换,建立了MCR系统的动态状态空间模型;为了加快求解速度,将控制器中的最优化问题转化为求解极小值的二次规划问题,利用有效集法求解有约束问题的二次规划。通过搭建仿真电路,在80k Hz频率下将负载值从50Ω变为25Ω,将GSSA-MPC控制器与经典PID控制器进行对比,仿真结果表明模型预测控制输出更为平滑、鲁棒性更好、调节时间比PID控制缩减0.5 ms,控制精度提高0.4%,GSSA-MPC为磁耦合谐振式系统输出电压的调节提供了一种有效的方法。

双LCL型感应电能传输系统H_∞鲁棒控制

因负载变化、磁路机构的偏移以及元器件的老化等因素导致的双LCL型感应电能传输(inductively power transfer,IPT)系统出现输出电压变化及系统频率漂移等不确定性问题会加剧系统性能的恶化,为此,针对双LCL型IPT系统在负载摄动和干扰下的稳压输出,设计闭环系统的鲁棒控制器。首先采用广义状态空间平均法建立系统频域模型,将实际被控对象的模型转化为广义系统,借助上线性分式变换分离系统的标称部分和不确定部分,得到广义被控对象模型。然后,基于该模型设计H_∞鲁棒控制器,并利用结构奇异值的频率响应校验闭环系统的鲁棒稳定性及鲁棒性能。仿真和实验结果表明该控制器可以较好地保证双LCL型IPT系统的标称性能和鲁棒性能,验证了该模型和控制方法的有效性和可行性。

三相双有源桥式直流变换器建模与控制方法

作为一种隔离型双向直流变换器,三相双有源桥式(DAB)直流变换器具有电气隔离、高功率密度、宽电压传输范围和易于实现软开关等优点。该文对三相DAB变换器建模和控制方法进行了研究,针对现有的三相直流变换器建模方法精确度不高问题,提出基于二阶广义状态空间平均法的三相DAB模型,并且提出基于内点法的电流有效值优化调制策略,在此基础上提出优化限幅的闭环控制方法,从而改善系统的动态响应。最后,采用Matlab/Simulink和PLECS联合仿真证明所提模型的精确性,搭建了一个1.1kW的三相DAB直流变换器实验平台。实验结果表明,当输出电压指令v2ref从60V突变至80V时,传统的闭环方法需要31ms恢复稳定,该文所提闭环控制方法18ms就可以重新达到稳定状态稳定运行,大大加快了系统的动态响应。

半桥逆变型磁共振式无线充电系统建模与控制

针对半桥谐振逆变型磁共振式无线充电(MCR-WCT)系统工作状态模糊、高阶非线性、控制理论不成熟等问题,在建立半桥谐振逆变电路等效模型的基础上,采用广义状态空间平均法(GSSA)对MCR-WCT系统进行大信号和小信号建模,在GSSA模型的基础上设计电流单闭环控制器,制定基于BP神经网络的自整定PID控制策略。最后,通过Matlab编程对GSSA大信号模型进行暂态和稳态分析,对比Simulink模型仿真结果验证GSSA模型的可行性;通过Matlab仿真对比经典PID控制和BP神经网络自整定PID控制策略,在电流设定值为1 A的阶跃响应中,BP神经网络自整定PID控制在0.25 ms内达到稳态,稳态误差在2%内,最大超调量只有5%,相比经典PID控制具有更好的动静态性能。

基于DPS控制的双向全桥直流变换器的建模

为方便双向全桥直流变换器的稳定性分析以及闭环控制器的设计,利用广义状态空间平均法对工作在双重移相控制方式下的双向全桥直流变换器进行了建模研究,得到了系统的大信号模型,通过线性化处理,得到系统小信号模型,并根据小信号模型进行了控制器设计。利用Matlab仿真验证所建立模型的准确性以及闭环系统的稳定性,仿真结果表明,小信号模型能准确跟随系统输出,且闭环系统符合GJB 181B要求。

用于感应电机驱动的变频器建模方法综述

随着电力电子技术、控制技术的发展,采用变频器驱动的感应电机推进系统已成为综合电力系统的主要技术之一。综合电力系统采用变频器驱动感应电机推进系统,具有体积小、重量轻、转矩密度高和无级变速可调等优点。为了深入分析变频器的各种静动态性能,需要对变频器进行建模研究,目前用于变频器建模的方法主要有开关函数法、状态空间平均法、广义状态空间平均法和电源开关等效法。系统地总结了各种建模方法的基本原理和优缺点,为变频器的建模研究奠定了基础。

带前级DC/DC的无线充电系统建模与分析

无线充电过程中需要控制从电网侧流向电池的功率,在现有功率控制方式中,逆变器前附加DC/DC控制具有相对高的传输效率和控制精度,针对带前级DC/DC控制的磁耦合谐振式无线充电系统进行建模与分析。系统中引入解耦电容将DC/DC单元与其后级的逆变-耦合谐振单元解耦,采用状态空间平均法和广义状态空间平均法建立了整个系统的线性化模型。同时在Simulink下搭建系统拓扑模型,并将两种模型得到的状态变量的时域运动轨迹进行了对比,验证了数学模型的准确性。基于所建模型分析了系统稳定性及其控制特性,结果表明,系统是稳定的,并且在传输效率不变的前提下,前级DC/DC控制方式能够很好地实现对输出功率的控制。