基于内模原理的恒压恒频电力电子变流系统谐波控制技术研究

摘要

重复控制、积分控制和谐振控制是基于内模原理（简称IMP）的三种常见控制方法，适用对象分别是周期性信号、直流信号和单一频率的正弦信号。理想的电力交流信号一般是标准的正弦基波，电力谐波主要由频率为基波整数倍频的正弦信号叠加而成。因此根据系统中对正弦基波和/或各次谐波的具体要求，利用相应的基于IMP的控制方法，就可以获得具有零跟踪误差的高质量电能，实现电力电子接口的“净化”。
　　本文以基于IMP的控制器为研究对象，系统分析并推导了基于IMP各种控制器间的内在关系，提出了基于IMP的统一数学表达式和选择谐波多谐振控制器（简称SHMRC）。首次提出了nk±m次谐波重复控制器（简称nk±mRC）和多内模并联结构重复控制器（简称PSRC），研究了它们的通用性、极点特性、稳定判据、误差收敛速度等问题，初步构建了一个基于IMP的系统的谐波控制理论体系，为任意相的恒压恒频PWM变换器的优化（动态响应、控制精度、易于实现三者之间进行折衷）控制提供了较为完善的解决方案。设计并搭建了以恒压恒频PWM变换器为控制对象的通用实验平台，进行了实验分析和验证，为所提重复控制器的进一步研究和应用推广奠定了基础。
　　论文主要研究成果包括以下几个方面:
　　1.推导了基于IMP的重复控制和积分/谐振控制的内在关系，提出了基于IMP控制器的统一数学表达式，为重复控制器的设计和性能分析提供了一个极为有力的工具。提出了SHMRC，实现对不同谐波的“用户定制式”跟踪或消除，优化了电力电子变流系统的控制性能，仿真结果验证了有效性和优越性。
　　2.首次提出了一种全新的通用选择谐波重复控制器（即nk±mRC），实现对任意特定nk±m次谐波的零误差跟踪或扰动抑制。讨论了nk±mRC的通用性、极点特性、误差收敛速度等问题，给出了数字nk±mRC系统的稳定判据和误差收敛条件并进行了严格证明。优化了电力电子变流系统的控制性能，仿真结果验证了有效性和优越性。
　　3.首次提出了一种通用全谐波分类选择重复控制器（即PSRC），包含并联组成的一组nk+i次谐波内模（i=0，1，...n-1）来取代常规重复控制器的单一全谐波整体内模，实现了对所有谐波的零误差跟踪或扰动抑制。讨论了PSRC的通用性、极点特性、误差收敛速度等问题，给出了数字PSRC系统的稳定判据和误差收敛条件并进行了严格证明。优化了电力电子变流系统的控制性能，仿真结果验证了有效性和优越性。
　　4.系统分析了恒压恒频PWM变流系统的建模，为实验验证所提控制器的有效性和优越性提供了理论基础。
　　5.构建了基于dSPACE的恒压恒频PWM变流系统通用实验平台，编制了基于Matlab/Simulink的控制系统软件程序，为将nk±mRC和PSRC应用到恒压恒频PWM变流系统中的实验验证奠定了软件和硬件基础。
　　6.实验研究了所提nk±mRC和PSRC系统的稳态和动态性能，综合评估了不同重复控制器对各种恒压恒频PWM变流系统中的跟踪精度、误差收敛速度等性能的影响，验证了所提重复控制器的有效性和优越性，为多相PWM变流系统提供了高性能的控制策略。

目录

声明

摘要

图录

表录

第1章 绪论

§1．1 引言

§1．2 电力电子变流系统的一般控制方法及研究现状

§1．3 基于内模原理的电力电子变流系统控制方法及研究现状

§1．3．1 积分／谐振控制

§1．3．2 重复控制

§1．3．3 复合控制

§1．3．4 存在问题

§1．4 本课题研究内容

§1．5 本课题研究意义

§1．6 论文组织结构

第2章 基于内模原理的谐波控制理论框架

§2．1 引言

§2．2 闭环反馈控制系统

§2．3 内模原理(IMP)

§2．3．1 连续时间域

§2．3．2 离散时间域

§2．4 基于IMP的控制器

§2．4．1 积分控制器(I)

§2．4．2 谐振控制器(R)

§2．4．3 重复控制器(RC)

§2．5 重复控制器与积分储振控制器之间的内在关系

§2．6 基于IMP的统一数学表达式

§2．7 选择谐波多谐振控制器(SHMRC)

§2．8 仿真验证

§2．9 本章小结

第3章 通用nk±m次谐波重复控制器

§3．1 引言

§3．2 通用的插入式重复控制系统

§3．3 零相位误差跟踪控制(ZPETC)

§3．4 常规重复控制器(CRC)

§3．5 奇次谐波重复控制器(OHRC)

§3．6 nk±m次谐波重复控制器(nk±m RC)

§3．6．1 连续时间域的nk±m RC

§3．6．2 离散时间域的nk±m RC

§3．6．3 数字nk±m RC控制系统

§3．7 仿真验证

§3．8 本章小结

第4章 通用多内模并联结构重复控制器

§4．1 引言

§4．2 双模重复控制器(DMRC)

§4．3 多内模并联型重复控制器(PSRC)

§4．3．1 连续时间域的PSRC

§4．3．2 离散时间域的PSRC

§4．3．3 数字PSRC控制系统

§4．4 仿真验证

§4．5 本章小结

第5章 恒压恒频PWM变流系统的建模

§5．1 引言

§5．2 恒压恒频PWM离网逆变系统建模

§5．2．1 恒压恒频PWM离网逆变器

§5．2．2 控制系统

§5．2．3 数字控制器的选取

§5．3 恒压恒频PWM并网变流系统建模

§5．3．1 恒压恒频PWM并网变换器

§5．3．2 控制系统

§5．3．3 数字控制器的选取

§5．4 本章小结

第6章 恒压恒频PWM变流系统的实验验证

§6．1 引言

§6．2 实验平台的搭建

§6．2．1 整体平台及电路参数

§6．2．2 dSPACE及其开发流程

§6．2．3 其它主要部件

§6．3 恒压恒频PWM离网逆变系统的实验结果

§6．3．1 三相PWM离网逆变系统

§6．3．2 单相PWM离网逆变系统

§6．4 恒压恒频PWM并网变流系统的初步实验结果

§6．4．1 三相PWM整流系统

§6．4．2 单相PWM整流系统

§6．4．3 三相PWM并网逆变系统

§6．4．4 单相PWM并网逆变系统

§6．5 本章小结

第7章 总结和展望

§7．1 全文总结

§7．2 课题展望

参考文献

攻博期间发表的学术成果

攻博期间参与的科研项目

攻博期间学术经历与奖励

致谢