三有源桥DC-DC变换器广义状态空间平均模型及控制策略研究

基于移相加占空比控制策略的三有源桥TAB(triple active bridge)DC-DC变换器具有效率高和软开关范围可扩展等优点,但其小信号建模过程复杂、闭环控制环路参数整定困难。针对该问题,提出1种TAB工作在移相加占空比控制下的全阶连续广义状态平均建模和PI控制器设计方法。首先,分析TAB的运行原理和Y型等效结构;然后,结合移相加占空比控制的特点和交流方波源等效方法,推导出TAB的广义状态空间平均模型;接着,在推得模型的基础上求得输入到输出的传递函数,设计出PI控制器参数。最后,结合数字仿真及样机实验验证了所提方法的正确性及有效性。

基于状态空间平均模型的全数字双闭环斩波内馈串级调速系统

首先介绍了内馈斩波串级调速的工作原理,其次采用状态空间平均模型建立了内馈斩波串级调速系统的小信号模型,推导了斩波器双闭环控制系统的动态模型,并用DSP实现了全数字控制．斩波器电流内环控制,提高了系统的可靠性,改善了速度稳态精度和动态响应．本系统已运行于工业现场,节能效果显著．

基于状态空间平均模型的电压控制SIDO Buck变换器稳定性分析

分析电压控制SIDO Buck变换器工作于电感电流连续导电模式的工作原理,采用状态空间平均方法,建立了其状态空间平均模型,并获得系统输入–输出传递函数框图和雅克比矩阵。基于系统输入–输出传递函数框图和雅克比矩阵,分别采用奈奎斯特（Nyquist）稳定判据和劳斯–赫尔维茨（Routh-Hurwitz）稳定判据,分析了控制参数变化时电压控制SIDO Buck变换器的稳定性及稳定边界;并研究了输出电容参数对控制参数的影响。研究结果表明,电压控制参数具有稳定上界或下界,且输出电容的取值影响控制参数的稳定范围。最后,建立了电压控制SIDO Buck变换器的仿真和实验电路,时域仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。

基于状态空间平均法的单相逆变器控制建模

论述了状态空间平均法的实质和一般步骤,应用状态空间平均法引出了一种线性时不变的、与负载扰动不相关的单相逆变器控制模型,指出了所得到的模型及其变种的用法特点。为验证状态空间平均模型的准确性,在一台单相全桥逆变器上进行了实验。实验表明,所得状态空间平均模型的精确性和可用性可以满足要求。

状态空间法的非线性负载三相逆变器建模研究

含非线性负载的三相逆变器难以建立精确的数学模型,为此,文中以三相电压型SPWM逆变器为研究对象,提出一种基于状态空间平均法的非线性负载下三相逆变器建模的方法。根据三相逆变器的工作原理建立系统的小信号模型,利用相关坐标变换及状态空间平均法导出其状态方程,对其平均变量进行分离扰动和线性化处理,经过拉普拉斯变换后得到系统的状态空间平均模型。在Matlab/Simulink环境中分别搭建系统在线性负载和非线性负载条件下的方框图模型,对于两相旋转坐标系和三相静止坐标系下的三相逆变系统进行相应的仿真。结果表明,利用状态空间平均法对三相逆变器进行建模的可行性强,且所提方法具有仿真结果精确、误差小、鲁棒性强、仿真时间短等优点。

PSM开关变换器的平均模型与特性分析

本文首次建立了 PSM(Pulse Skipping Modulation)调制模式下开关变换器的状态空平均模型。基于此模型,计算并分析了 PSM 开关变换器在电流连续(CCM)和电流断续(DCM两种工作模式下的频率特性、响应速度,输出电压纹波及效率等特性。与 PWM 调制模式相比较PSM 调制模式响应速度更快,效率特别是低负载下更高,该模式下的边频效应有利于 EMI 峰值抑制,因此 PSM 是一种良好的调制模式,特别适用于高频、轻载系统。

考虑开关频率影响的PWM DC-DC变换器平均模型

在状态空间平均模型的基础上,分析了一种考虑开关频率影响的PWM DC-DC变换器平均模型,通过仿真证实了该模型更为准确实用。

十二相同步发电机降阶等效模型研究

十二相同步发电机整流系统能够提供高品质直流电能,但是发电机模型复杂,解析分析困难。为此,推导了十二相整流发电机的等效三相降阶模型和状态空间平均模型,简化了模型复杂程度,提高了仿真计算效率。等效三相发电机模型能够同时适用于大、小扰动,经突加突卸负载、调整励磁电压以及突然短路验证,能够正确反应十二相电机运行特性。状态空间平均模型在小扰动时能够准确模拟十二相电机计算结果,进一步提高计算效率,并为整流发电机系统的理论分析奠定了基础。最后,在PSCAD中建立了十二相电机的三相等效模型和平均模型,通过对其进行大、小扰动仿真对比,验证了降阶后模型的正确性。

三态Boost型DC/DC变换器的数学模型及其输入/输出反馈线性化非线性控制方法

针对传统的Boost型DC/DC变换器存在不稳定的零动态问题,Viswanathan K.提出了一种改进拓扑结构的三态Boost型DC/DC变换器。考虑到现有文献均采用小信号模型和相应的线性控制方法,难以发挥该三态Boost变换器的优势,为此,在建立三态Boost型DC/DC变换器大信号状态空间数学模型的基础上,根据其多变量、非线性特点,基于输入/输出反馈线性化提出一种新颖的非线性控制方法。自制的样机实验结果表明:与传统的PI控制方法相比,该新型非线性控制方案具有明显的优势,不仅输出电压的调节范围较宽、稳态偏差小,而且动态性能也明显改善。

Buck-Boost变换器的模型预测控制

为更好地控制Buck-Boost变换器输出电压,采用考虑管压降的状态空间平均模型,使用模型预测控制进行输出电压的控制.选取合适的二次性能指标作为模型预测控制的目标函数,使变换器具有较快的响应速度和较小的电压超调量,同时设置电容电压和电感电流的约束条件,以保证Buck-Boost变换器的安全性.研究结果表明:模型预测控制在Buck-Boost变换器中具有很好的控制效果.

单电感双输出Buck变换器的微分平坦控制

为克服传统PI控制单电感双输出SIDO(single-inductor dual-output)开关变换器输出端存在交叉影响严重、暂态响应速度慢等问题,提出一种降维状态观测器补偿的微分平坦控制策略。首先根据微分平坦理论,分别设计支路开关管的电压控制和主开关管的电流控制,并对平坦输出量采用PI控制器进行误差反馈补偿。其次根据变换器的状态空间平均模型,对负载电流设计降维状态观测器,并将观测值作用于平坦系统,以提升系统暂态性能。最后搭建了实验平台进行验证,结果表明,所提控制具有更快的暂态响应速度,同时有效减小了交叉影响。

图腾柱PFC无静差二次型最优PID控制仿真分析

计算方法以及计算机技术的发展促进了现代控制理论的工程化。本文采用无静差二次型最优调节器(LQR)优化PID控制参数选取方法,设计了图腾柱功率因数校正器(PFC)二次型最优PID控制算法。在给出双闭环LQR优化PID控制原理后,建立了状态空间平均模型,采用MATLAB的LQR函数设计了BOOSTDC-DC变换器的双闭环PID控制算法,进而采用相同的双闭环PID控制参数设计了对等电气条件下图腾柱PFC二次型最优PID控制参数,搭建了MATLAB/Simulink仿真电路,分析结果反映了图腾柱PFC二次型最优PID控制参数优化方法是可行的。

三相逆变电源不平衡负载研究

负载情况对逆变器的设计和性能都有很大的影响。文中在对称分量法的基础上分析了不平衡负载的情况,并在电压型三相逆变电源数学模型的基础上推导了不平衡分量在dq坐标系下的表达式,提出了基波扰动瞬时值反馈控制器与谐波重复控制器结合的控制方案,分析了控制实现的可能性。仿真和实验结果都证明了该方案对不平衡负载有较强的抑制作用。

虚拟惯量控制方式下永磁风力发电机组轴系扭振机理分析

基于风电并网系统的状态空间平均模型,分析传统比例微分(PD)虚拟惯量控制方式下兆瓦级直驱永磁风力发电机组(D-PMSG)的轴系扭振机理及其影响因素,提出一种改进型PD虚拟惯量控制方法,以抑制D-PMSG轴系低频扭振。分析表明,传统PD虚拟惯量控制的引入,会降低DPMSG轴系的阻尼比,影响机组的稳定运行;降低PD虚拟惯量控制的微分系数的模值可以提高风电机组轴系的阻尼比,却会降低风电机组的频率响应能力。所提出的改进型PD虚拟惯量控制方法,通过引入永磁发电机组转速补偿项,从而提高系统阻尼比。该方法能在保证风电机组的频率响应能力的同时,有效抑制虚拟惯量控制引起的轴系低频扭振,提高系统的稳定性。仿真实验验证了理论分析和改进型PD虚拟惯量控制方法的有效性。

三相全桥逆变器分岔特性研究

三相全桥逆变器是一种得到广泛应用的电力电子拓扑结构,由于其固有非线性特性,在运行时可能经历快、慢时间尺度上的分岔进入混沌失稳状态。该文在同步旋转坐标系中,分别建立三相全桥逆变器在采用正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)和空间矢量调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)时的状态空间平均模型和离散时间模型,从而完成对三相全桥逆变器发生在快、慢时间尺度上分岔行为的理论分析。并比较了两种调制算法下三相全桥逆变器的单周期运行边界,得出在连续导通下,就稳定域而言,SPWM要优于SVPWM的结论。通过实验对所提理论进行了验证。该文所得模型可对三相全桥逆变电路的分岔边界进行预测,为三相全桥逆变器的分析和设计提供参考。

三相PWM整流器中灾难性分岔分析

该文研究了三相PWM整流器由于电路参数的非理想因素而引起的灾难性(catastrophic)分岔。利用状态空间平均模型研究了闭环系统的稳定性,得到了系统状态空间平均模型雅克比(Jacobian)矩阵的特征根轨迹,据此确定了系统的边界,结果表明,交流侧等效串联电阻是影响系统灾难性分岔的一个本质参数。通过分析状态空间平均模型的平衡点,得到一个参数含有交流侧等效串联电阻的一元二次方程,该方程Δ=0所确定的边界,恰好与状态空间平均模型得到的边界相吻合,但据此确定的关于系统稳定边界的表达式更能反映系统运行的物理机理和本质特性。比较了利用数值仿真、状态空间平均模型、系统功率方程和系统的平衡点4种不同方法分析系统稳定性的优缺点,并提出了一种避免灾难性分岔发生的控制措施。最后,通过数值仿真和电路实验验证了分析结果的正确性。

基于NSGA-Ⅱ算法的ECPT系统PID参数寻优及输出稳压控制

针对电场耦合型无线电能传输(ECPT)系统阶数高、非线性、对系统参数变化敏感导致其输出电压质量下降、系统不稳定等问题,提出一种最优控制器设计方法。该方法首先建立系统广义状态空间平均(GSSA)模型,并基于此模型,利用多目标多约束遗传算法(NSGA-II)对PID控制参数进行自动寻优,有效解决了高阶系统PID控制器最优参数难以设计的难题,改善了闭环系统的上升时间、稳态误差以及对变化参数的鲁棒性能,并将超调限定在一定范围内,提升系统的稳定性。仿真和实验结果验证了GSSA模型的准确性以及在此模型上利用NSGA-II算法进行控制参数寻优的有效性。

DC/DC变换器无静差二次型最优PID参数整定

基于二次型最优化理论,对PWMDC-DC变换器PID控制参数进行优化整定和设计。通过引入增广矩阵,增加了控制量U*(t)中对误差的积分环节,推导了无静差跟踪控制系统模型;在目标函数的构成参量和形式确定之后,通过选取适当的加权矩阵,实现系统的无超调动态响应。以BUCK和BOOST变换器为例的仿真结果表明,采用二次型最优PID控制策略所构建的反馈系统具有更为优越的动态品质和稳态特性。

基于直接式AC/AC变换的单相混合式配电变压器及其松弛二端口网络建模

针对配电网中的电压波动问题,提出了一种由传统工频变压器与电力电子变换器组合而成的混合式配电变压器(hybrid distribution transformer,HDT)。首先,在不同HDT拓扑分析的基础上,选取了具有一定结构优势的双极性直接式AC/AC变换器(bipolardirectAC/ACconverter,BD-AC)作为HDT的电力电子组成部分;其次,对HDT的拓扑结构与运行原理进行了分析并提出了相应的控制策略;再次,基于状态空间平均法构建了HDT的状态空间平均模型,并以松弛二端口网络理论为依托,对HDT的系统特性进行了理论分析;最后,通过搭建仿真系统验证了理论分析的合理性与有效性。

高功率因数整流器的建模及控制算法研究

针对高功率因数整流器建立了一种状态空间平均模型,提出一种小惯性电流跟踪控制方程及控制算法,定量分析了其PWM占空比的控制规律,在此基础上构建了闭环控制系统,并进行了大量的仿真和实验研究。通过仿真与实验.证实了本系统的建模及控制算法的正确性与可行性。