基于无源理论和动态演化理论的ZSC-SMES控制策略

超导磁储能(SMES)变流器是实现超导磁体与电网之间双向功率流动的关键部分,而由电磁干扰等原因造成的开关管误动会导致变流器的同一桥臂直通,严重危害了系统的安全运行。因此,首先提出了一种基于Z源变流器(ZSC)的SMES新型拓扑结构,以提高SMES运行的可靠性。其次,考虑到SMES变流器存在较强的非线性特性,因此精准的控制策略是SMES应用于电力系统的前提。针对ZSC-SMES的交流侧变流器以及直流斩波器两部分,分别提出了基于无源理论和动态演化理论的控制策略。仿真结果表明,基于该控制策略的ZSC-SMES具有高电能质量的输出特性,对功率指令具有优秀的跟踪能力,同时能够有效跟踪直流侧的参考电压。与SMES的传统PI控制策略进行对比分析,所提出的控制策略具有更好的动态性能和鲁棒性。

基于分离源矩阵变换器的PMSM无源动态演化控制策略

为了改进传统的永磁同步电机驱动器系统及其PID控制的不足,提出了一种无源动态演化控制策略,并应用于永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)和分离源矩阵变换器(split source matrix con-verter,SSMC)中。为打破传统矩阵变换器电压传输比0.866的限制,采用电感、电容和3个二极管代替了双级矩阵变换器中间的支流链路部件,并且证明了分离源网络的升压能力。另外,在矢量控制中,永磁同步电机的转速外环和电流内环都使用了传统PID控制器,但由于PID控制器的参数调节比较困难、控制精度不高、超调量较大和抗干扰能力不强等问题,为此提出了基于动态演化理论和无源理论的控制策略,设计了分离源矩阵变换器和永磁同步电机系统基于互联和阻尼分配(the interconnection and damping assignment,IDA)的无源控制器(passivity-based control,PBC)和动态演化控制器(dynamic evolution controller,DEC)。仿真与实验的结果表明,基于该控制策略的SSMC-PMSM驱动系统能够使永磁同步电机稳定运行在额定转速,并且具有稳定性强、抗干扰能力强和动态响应好等特点。

基于无源性理论的H桥级联STATCOM非线性控制策略

采用传统的线性控制方法控制高压大功率条件下的静止同步补偿器(STATCOM)时,动态稳定性较差。因此,通过对STATCOM系统的数学模型与工作原理的分析,建立EL(Euler-Lagrange)系统模型,提出基于无源性理论的非线性控制策略,该策略可以保证系统的Lyapunov函数的稳定性。通过控制d轴有功电流维持功率单元直流侧电容电压稳定,减少系统期望平衡点数量。为了提高系统的收敛速度,对系统注入阻尼,加速系统能量耗散,并对注入阻尼的量进行了分析;构造离散状态观测器对系统参考指令电流进行预测,以消除参考指令电流滞后1个采样周期造成的影响。仿真与实验结果表明,所提控制策略具有良好的动态性能和较强的鲁棒性,有效地降低了STATCOM输出电流的谐波。

基于无源性理论的电压不平衡条件下PWM整流器非线性控制策略

针对PWM整流器在电网电压不平衡条件下直流侧电压出现二次谐波和交流侧出现负序电流的问题,在分析了PWM整流器数学模型的基础上,设计了一种基于无源性理论的PWM整流器非线性控制器。在Matlab下建立了PWM整流器仿真系统模型,对所设计的非线性控制器进行了仿真验证,并与传统的双dq-PI控制策略进行了比较。仿真试验结果表明,所设计的基于无源性理论的非线性控制器可以根据控制目标有效地抑制直流侧二次谐波或交流侧负序电流,与传统的双dq-PI控制器相比具有更好的动态性能。

基于无源系统理论的励磁系统非线性最优控制

简要介绍了无源系统理论及无源最优控制方法。针对具有励磁控制的单机无穷大输电系统 ,求出其存储函数 ,并根据输出反馈无源定理 ,构造了系统关于一类二次性能指标下的非线性最优控制规律。仿真结果证明了该控制器的有效性。由于在控制器设计过程中未用到任何线性化方法 ,因而能够完整地保留系统的非线性特性。因此 。

无源性理论在永磁同步电动机混沌控制中的应用

永磁同步电动机在一定的工作条件下呈现出混沌运动,根据无源性网络理论,设计电动机混沌动力学模型的控制器,将混沌系统等效为无源系统,消除系统中的混沌运动,降低系统自激振动的危害,实现混沌系统的快速稳定。

基于网络无源性理论的双向力反应遥操作系统研究

针对位置一位置型的双向力反应控制系统,推导了相应的阻抗矩阵模型,并基于二端口网络无源性理论,对系统的稳定性及控制性能进行了探讨,为位置一位置型双向力反应遥操作系统的设计提供了理论依据。

基于无源性理论的静止无功发生器非线性控制策略

分析了静止无功发生器(SVG)的数学模型,基于无源性理论,提出了SVG非线性控制策略。分别在负载平衡与不平衡条件下对该控制策略进行验证,仿真与实验结果表明了该方法的正确性。该方法控制简单,稳态精度高,动态性能良好,鲁棒性强,补偿后谐波含量低,有工程应用价值。

基于无源性理论的MMC电容电压观测器设计

模块化多电平变换器(modular multilevel converters,MMC)因其结构上的诸多优点适用于高压大功率工况。在应用中,电容电压的控制一直是MMC控制的重点,测量电容电压对于系统的安全运行很有必要。随着电压和功率等级的升高,桥臂子模块和传感器数量增加,使系统复杂性提高,成本增加。为了减少传感器数量,根据无源性理论和持续充分激励条件设计MMC降维观测器,通过测量MMC的桥臂电流和桥臂级联子模块总电压,结合模块开关信号,对每个子模块电容电压进行估计,将观测器得到的电容电压估计值用于MMC系统设计,并在Simulink中进行仿真验证。仿真结果表明观测器具有良好的鲁棒性和准确性。

空间机器人捕获航天器后基于无源性理论的鲁棒镇定控制

研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。

基于无源性理论的船舶动力定位滤波器设计

为滤除船舶动力定位系统中的高频分量,减少推进器不必要的机械磨损和燃料消耗,基于无源性理论设计了非线性无源滤波器,并证明了其稳定性。建立了非线性船舶模型并在Matlab上对一实际船舶模型进行仿真,针对4种不同海况将所设计非线性无源滤波器和卡尔曼滤波器进行对比分析,结果显示在平静海况下,2种滤波器均能有效的滤除高频噪声,在高海况和极端海况下,卡尔曼滤波器滤波效果不明显,所设计无源滤波器仍有较好的滤波效果,仿真结果表明无源滤波器稳定性更好,鲁棒性更强。

非线性无源控制原理及在电力电子变换器中的应用

无源理论是非线性系统控制和稳定性分析的重要方法之一,本文针对典型的非线性系统———DC-AC三相逆变器,提出了一种基于无源理论的控制算法.首先给出了DC-AC逆变器的欧拉-拉格朗日数学模型,即能量方程;然后将此模型变换成最小相位系统,在此基础上设计了基于无源理论的反馈控制算法,给出了闭环系统稳定性证明,保证被控系统的误差渐近收敛.仿真结果证明了所提算法具有良好的动态性能和较强的鲁棒性.

Internet环境下遥操作机器人系统的无源控制研究

将Internet作为系统的通信通道以后,遥操作机器人系统的研究实现了非常大的发展。但是遥操作机器人系统的稳定性和透明性问题至今仍没有得到较好的解决。该研究设计了一种最大程度上模拟Internet真实状况的网络仿真模型。除此之外,为了提高系统的稳定性,提出带有滤波器和主从端控制器的无源控制方法。最后,通过实验得到验证。

基于无源性的并网逆变器扩展阻尼区域方法研究

三相LCL型并网逆变器通常采用电容电流反馈有源阻尼控制方式,但由于控制延时的存在,使系统的有源阻尼特性在1/6采样频率f_(x)处发生改变,在弱电网情况下可能发生系统失稳。针对此问题,提出一种改进电容电流反馈的超前延时补偿方法。该方法基于无源理论的稳定性设计要求,通过对控制内环的稳定性分析,给出了内环控制参数及改进方法下电容电流反馈系数的可行域。通过对控制外环的稳定性分析,给出了外环控制参数的可行域。采用逐步由内环到外环的参数分析及设计流程,将有效正阻尼区域扩展到接近0.45f_(x),有效保证逆变器输出导纳的无源性。离散稳定性分析与仿真结果表明,在电网阻抗增加、逆变器并联耦合以及滤波器参数波动等工况下,所提方法相较于传统电容电流反馈方法具有更好的系统稳定性、鲁棒性以及动态响应特性。

链式D-STATCOM的无源性控制

配电网静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator,D-STATCOM)由于其突出性能已被证明是配电网无功动态调节的有效手段,然而链式结构D-STATCOM每一相都由多个H桥逆变单元级联而成,是一个非线性多变量、强耦合的系统,难以同时实现无功电流与直流电压稳定均衡的控制。经过等效电路变换,建立单个H桥逆变单元的控制电路模型;基于无源性控制理论,设计无源性控制率,确保了对指令电流的渐进跟踪;通过给定指令电流,实现了链式D-STATCOM的无功电流的控制和直流电压稳定的控制;利用H桥逆变单元之间的能量交换实现了直流电压的均衡控制。仿真以及10 kV、±5 Mvar工程实际应用表明,此控制算法能够在实现无功电流控制的同时实现直流电压的稳定与均衡控制,且稳态特性好、动态响应快、算法实现简单、鲁棒性强,具有很强的工程实用价值,为链式D-STATCOM的研究、发展和产业化提供了基本保障和良好的平台。

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺无源神经网络H∞控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击破坏的避撞柔顺控制问题。为此在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺机构--旋转型串联弹性执行器(RSEA),可通过其内置弹簧的变形来吸收捕获过程目标航天器对空间机器人关节产生的冲击能量;结合所设计的开、关机控制策略可保证关节冲击力矩受限在安全范围内。首先利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的分体系统动力学模型;之后,结合冲量定理、系统运动几何关系及力的传递规律,建立了捕获后两者形成混合体系统的动力学模型,并计算了碰撞过程的冲击力矩;最后,基于无源性理论提出了一种神经网络鲁棒H∞避撞柔顺控制策略以实现失稳混合体的镇定控制。数值仿真结果表明,配置柔顺空间机器人在捕获碰撞阶段最大可减小61.9%的关节冲击力矩,最小也可减小47.8%;而在镇定运动阶段,各关节冲击力矩均受限在安全范围内,实现了对关节有效地保护。

空间机器人双臂捕获航天器操作的无源自抗扰避撞从顺控制

针对空间机器人双臂捕获非合作航天器过程中避免关节受冲击破坏的避撞从顺控制问题,在机械臂与关节电机之间设计了一种由旋转型串联弹性执行器(RSEA)构成的弹簧缓冲装置.通过缓冲弹簧变形来吸收捕获碰撞阶段产生的冲击能量,并采用合理的避撞从顺控制策略,保证镇定运动阶段关节受到的冲击力矩限制在安全范围内.应用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法,分别建立捕获前双臂空间机器人开环系统及航天器系统动力学模型;结合冲量定理、闭链系统位置及运动学关系,得到捕获操作后两者所构成闭链混合体系统的动力学模型.为实现失稳混合体系统的镇定,提出了一种基于无源性理论的自抗扰避撞从顺控制方案.此外,运用最小权值范数法对机械臂各关节力矩进行分配,保证了各臂协调操作.通过数值模拟,验证了缓冲装置的抗冲击性能及控制策略的有效性.

空间机器人捕获卫星操作基于柔顺装置的无源模糊避撞柔顺控制

讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受冲击及过载破坏的避撞柔顺控制问题。在关节电机与机械臂之间配置了一种柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用一是在捕获阶段,通过其内置弹簧的变形来缓冲捕获过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;二是在捕获完成后的镇定运动阶段,结合所设计的避撞柔顺策略来适时开关关节电机以保证关节冲击力矩受限在安全范围。首先,根据拉格朗日法及牛顿-欧拉法分别建立了含柔顺装置空间机器人与目标卫星系统的动力学方程;之后,结合整个系统动量守恒关系、系统运动几何及位置约束关系,建立了捕获操作后两者形成混合体系统的动力学方程。在此基础上,针对捕获操作后不稳定的混合体系统,提出了一种基于无源性理论的避撞柔顺模糊控制方案以实现其镇定控制。最后,通过仿真实验验证了所提避撞柔顺策略的有效性。

新型牵引供电系统中MMC变流器环流无源抑制策略

为解决现行电气化铁路牵引供电系统中过分相和电能质量低等问题,介绍一种新型牵引供电系统。利用模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)在电网和接触网之间构建直流网络,由于MMC桥臂之间电压不等,导致内部产生相间环流影响系统运行。本文从能量控制的角度出发,提出一种环流无源抑制策略。建立dq坐标系下的相间环流EL模型,根据无源控制理论证明环流具有无源性;通过注入阻尼的方法,选取适当的无源控制规律,让系统能量实际值快速收敛于期望值。利用PSCAD/EMTDC仿真平台建立三相—单相新型牵引供电系统模型,结果表明:通过改变投入状态的子模块个数来控制能量,使上、下桥臂电压之和趋近于直流电压,达到抑制环流的目的。

计及电缆分布电容的并网逆变器谐振特性与抑制

逆变器与电网之间的阻抗交互无法避免,当传输电缆的分布电容较大无法忽略时,逆变器并网系统会出现多个谐振点,容易引发高频谐振问题。为此,首先从阻抗交互的角度出发,利用无源性理论分析逆变器并网系统潜在的不稳定区域,以及线路长度和电网侧阻抗对并网逆变器系统谐振频率的影响。然后针对系统的高频谐振问题,提出在逆变器控制通路中串联二阶低通滤波器和相位补偿器的有源阻尼方法对逆变器阻抗进行重塑,使逆变器输出阻抗可以在全频段满足无源性条件,达到抑制高频谐振的目的,从而提升系统的稳定性。最后搭建Matlab/Simulink仿真系统,仿真结果验证所提方案的有效性。