基于PWA模型的DC-AC变换器的切换控制方法研究

摘要

DC-AC变换器是运用功率开关器件，将直流电转换为交流电的一种电力电子装置，广泛应用于新能源领域，由于其含有多个开关器件，它的工作过程随着开关器件的状态不同，在不同的子系统之间来回切换，具有切换特性，而每个子系统又是连续的，这便是典型的混杂系统，属于非线性系统，而传统的变换器的建模和分析方法是忽略开关动态进行近似处理，将非线性系统简化为线性系统，然后利用线性系统控制理论对变换器进行控制分析，这使得变换器的许多特性被忽略，给控制带来了很多问题，导致变换器可能出现许多意想不到的运行状态，如混沌状态。这样运用传统的线性控制理论对变换器进行分析研究时，存在一定的局限性。通过混杂系统理论进行建模分析，在建模过程中没有进行任何的近似处理，所建立的混杂模型足够精确，能够反映DC-AC变换器的本质特性，使建模所得系统与实际物理系统基本相同，所以运用混杂系统理论对电力电子变换器进行分析和控制，能解决传统方法所不能解决的问题。
　　对于DC-AC变换器，本文主要研究建模和控制两个方面。DC-AC变换器具有混杂系统的显著特性，考虑开关管的开关动态，利用了v步离散的方法，将控制周期进行了细致分割，得到了DC-AC变换器的分段仿射(PWA)模型，基于此模型设计了电流环模型预测控制(MPC)算法，为了满足控制器的实时性要求，本文采用离线方法计算状态反馈增益矩阵，得到了DC-AC变换器的分段的最优控制序列，方便控制器的实时实现。相比于传统的线性系统理论的建模控制方法，模型预测控制避免了复杂的参数调试，且能保证有限时间内变换器的最佳性能。同时为了增强系统的鲁棒性，本文设计了电压外环PI控制器，对电感电流的参考值进行补偿，从而消除电压的稳态误差，当电路的参数发生突变时，本文所提出的控制方法仍能保证良好的控制效果。
　　通过仿真以及实验对本文所提出的建模和控制方法进行了验证，设计了以TMS320F28335微处理器为核心控制器的硬件电路，编制了控制程序，对DC-AC变换器进行了控制，仿真以及实验结果均表明了本文所提出的建模及控制方法的正确性和有效性。