（电力电子与电力传动专业论文）基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究.pdf

基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究 a b s t r a c t t h er e p e t i t i v ec o n t r o l ( r c ) t h e o r yi san e w t h e o r yb a s e do ni n t e r n a lm o d e l ( i m ) p r i n c i p l e i ti sa ne f f e c t i v em e t h o dt oo v e r c o m et h ep e r i o d i cd i s t u r b a n c e i na cp o w e r s y s t e m ，n o n l i n e a rl o a d sa r em a j o rs 0 1 f l e e so ft o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ( t h d ) t h i sb u i l t t h em o t i v a t i o nf o rt h i sd i s s e r t a t i o n t h e r e f o r e ，r e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nd o n et h r o u g h s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n to nr c c h a r a c t e r i s t i c s ，b a s i cc o n t r o l l e rd e s i g np r i n c i p l ea n dr c a p p l i c a t i o ni na cp o w e rs y s t e m f i r s t l y , t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ni m ，c o m p e n s a t o ra n dp l a n th a sb e e ns t u d i e df r o mt h e v i e w p o i n to fp o l e sp l a c e m e n t ，a c c o r d i n gt ow h i c h ，t h er e l e v a n te x p l i c i te x p r e s s i o nh a s b e e nd e d u c e d a n df r o mi t 。o p t i m a l c o m p e n s a t o rc a nb e e no b t a i n e d s e c o n d l y , t h e c h a r a c t e r i s t i c so fr ch a v eb e e ns t u d i e d p r o f o m a d l yw h e n d i s t u r b a n c ei ss t o c h a s t i c t h i r d l y , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c o fr ch a sb e e na n a l y z e d t h ef a c t o r st h a tc a l l i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo f t r a n s i e n tr e s p o n s eh a v eb e e nd i s c u s s e d t w on e wd e s i g nm e t h o d so fr e p e t i t i v ec o n t r o l l e rh a v eb e e np r o p o s e db a s e do n d e s i g n i n go f p r o t o t y p er e p e t i t i v ec o n t r o l l e r f i r s t ，w ep r e s e n tam e t h o dt og e to p t i m a l c o n t r o l l e rb ya s s i g n i n ga l lp o l e so f s y s t e m o nag i v e n r a d i u s c o m p a r e dw i t ho l dm e t h o d ， n e wm e t h o dc a n g e te x p l i c i tp a r a m e t e ro f c o n t r o l l e r , w h i c hc a ng u a r a n t e eb e s tp e r f o r m a n c e f o rs y s t e m i na d d i t i o n ，a n o t h e rm e t h o dh a sb e e np r o p o s e df o rp l a n tt h a th a su n s t a b l ez e r o s t h ei d e a le f f e c t sh a v eb e e no b t a i n e di ns t e a d ye r r o ra n dr a t eo fe r r o rc o n v e r g e n c e b ys t u d y i n gt h ep a r a m e t e rs h i ro fc o m p o n e n t ，an e wm e t h o dt h a tb u i l di n v e r t e r s m o d e lb yc i r c u i t st o p o l o g ya n dp a r a m e t e r sh a sb e e na p p l i e di nr c s y s t e m a c c o r d i n gt o p l a n tm o d e l ，m o d i f i e dd e s i g nm e t h o d b a s e do i lp a r t l yc a n c e l l a t i o ni sa d o p t e df o ra c p o w e r s y s t e m b e c a u s en e w c o n t r o l l e rh a ss t r o n gs t a b i l i t y , r cs y s t e md o e s n tn e e d h i g ha c c u r a t e m a t h e m a t i c sm o d e l f u r t h e r m o r e ，t h es t a b i l i t yc a nb ei m p r o v e db yu s i n gs p e c i a lf u n c t i o n i ni ma n d c o m p e n s a t o r an o v e lc o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o di sp r o p o s e df o ri n v e g e r ar e p e t i t i v ec o n t r o l l e rc a n b eo b t a i n e db y d e s i g n i n gaz e r op h a s es h i f tl o wp a s sf i l t e r w i t ht h eh e l po fd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g a n ds o f t w a r e t o o l s ，i t i s e a s y t o d e s i g n a s a t i s f a c t o r y c o n t r o l l e r t h e p e r f o r m a n c eo fs y s t e mh a sb e e ni m p r o v e dr e m a r k a b l y i ti s ag o o dm e t h o dt o d e s i g n r e p e t i t i v ec o n t r o l l e rf o r i n v e r t e r k e y w o r d ：i n v e r t e r , r e p e t i t i v ec o n t r o l ，h a r m o n i c ，c o m p e n s a t o r , f i l t e r , f i r ， m o d e l ，c a n c e l l a t i o n l l 承诺书 本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特另t l d n 以标注和 致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研 究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 僻，宏 日期： z 口。弓 年弓月j 7 日 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 本文的磺究内容是采髑重复控剃理论的c v c f ( 幢厦惶频) s p w m 逆变嚣挖镬 技术。本章首先介绍了咆压型s p w m 逆嶷器：其次着重论述了游波控制的意义和发 展情况，对当前的几种控制方裘进行对比，在此基础上指出熏复控制的优点；最 臀，对本论文后续章节内容作一简要介绍。 1 1s p w m 逆变器 1 9 6 4 年，德翻学者a s c h o n u n g 和 。s t e m m l e r 根摄通讯理论中的调割技术提 出了脉宽调制变颓的思想h j 。1 9 7 5 年，b r i s t o l 大学的s ，r b o w e r 等人对该技术谶行 了成功地成用。实现这种方案的主功率电路简单、控制容易，可以很方便地实现各 弹复杂的控制籁律。经避邋4 0 年酶发展，脓宽谲箭( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，麓称 p w m ) 技术已得到了非常广泛的应用【2 。，成为电力电子领域中最重要的技术之一。 p w m 遂变嚣靛是裂蠲踩宽溺涮技术，将壹滚交换受交滚瓣毫力奄子装羹! ! 。它 利用一组电子开关实现电能的转换。见图 l ，l 。当q l 与q 4 遁，q 2 、q 3 凝，受载获褥 正极性的瞬时电臌，反乏可获褥负极性的瞬 时电压。如果要获得理想的输出电压，只需 对开关过程进行控制。搬据采样控制理论可 知，冲量( 幅值对时间的积分) 相等耐形状 不间的窄脉渖加谯惯性环节上，其作用效果 圈1 1d c a c 示懑醒 基本相同。p w m 技术的理论就魑基于“冲量等效”特性。当形状不同但冲量相等 匏窄稼冲窀压激灏信号藏魏子其肖惯性静低逶滤波器露，输击赣褥襄静瞧匿镌寂基 本相同，熊差别仪表现在高频成分上。s p w m 是在p w m 的基础上，令组电压脉 冲豹栽薰与正弦波在特定辩闫藏瓣内瑟馁含豹藐爨一一黠瘟，获嚣在滤波器辕蠢漆 得到期望的正弦电压波形。这样的脉冲可通过控制开关的通断时间轻易得到。理论 攒导和实际兹颁港分橱表鹱，s p w m 歇净电压凝骞与爨想正弦电匿一致熬基波分 量，而且最低次谐波的频率可以提高到s p w m 调制频率附近。当开关频率足够高 时，利用较小的滤波嚣就将谐波消除撑。此辨，只需改变s p w m 脉_ 孛宽度，靛可 以平滑地调节输出电压的基波幅值。采掰s p w m 技术的逆变器即为s p w m 逆变 嚣，它在波形质量和控制方面都肖很好的性能。 由于凝有突出的特髋，s p w m 逆变器在电力电子装置中的应用十分广泛，在 d c - a c 变换以及间接a c * a c 变换的场合都用到了s p w m 逆变器。通常s p w m 逆 交器髂应藤范霞分为运麓控涮，交流稳定电源帮惫力系统三部分。 基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究 目前各类交直交变频调速器的核心部分都是s p w m 逆变器，结合先进的控制方 案，高性能的交流调速系统已经逐渐取代了传统的直流调速系统。此外，高性能的 交流伺服系统也是以s p w m 逆变器作为系统的基础。这些采用p w m 逆变器的控制 系统广泛应用在工业生产、交通、国防、科研等领域。 以u p s 为代表的交流稳定电源是s p w m 逆变器的另一个应用领域。在军事、 航空、金融、通讯等重要部门，对供电系统的可靠性有很高的要求，因此高质量、 不间断供电的u p s 成为必备的电源设备。伴随社会信息化的发展和电子产品的广泛 应用，社会生活的正常运转严重依赖于电力的供应，供电中断造成的损失将越来越 大。此外，各类精密仪器的使用也对电源的质量提出了更高的要求，因此u p s 的应 用范围还在进一步扩大，而采用c v c f s p w m 方式的逆变器是u p s 的核心，对 u p s 的供电性能有决定性影响。 在电力系统中，s p w m 逆变器主要应用于各类电力系统控制器中，如静止同步 补偿器，综合潮流控制器等。超导磁铁储能系统也需要大功率s p w m 逆变器作为与 电网的中介。此外采用p w m 逆变器作为高压直流输电的换流器可以克服传统晶闸 管换流器的许多弊端。 1 2 谐波污染问题 1 2 1 谐波的危害 随着社会发展，各类用电设备的增多，非线性负载的种类、数量和比重都迅速 增加，谐波对供电系统的污染日益严重，它对各种电气设备都有不同程度的影响和 危害。其危害主要体现在以下几个方面： 谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电以及用电设 备的效率，大量的3 次谐波电流通过中线时会使线路过热甚至引发火灾。 谐波会引起电机和变压器发热、振动加剧，运行效率下降。例如变频器输出电 压波形为1 8 0 0 方波时，电机效率会降低5 7 ，功率因数下降8 ，电流增加 1 0 。而且谐波有可能引起电机振荡，导致机械损坏i “。 谐波对电容器的影响和危害很大【3 1 ，其损害机理包括电效应、热效应和机械效 应。在谐波作用下，内部介质更容易发生局部放电，电容器内部发热和温升增加， 电容的接线与外壳之间、内部极板之间可能产生机械共振引起介质的机械损伤。 谐波会导致某些继电保护装置误动作，致使系统无法正常运行，谐波还会使电 气测量仪器失准，影响计量精度。 谐波干扰中的高次成份会对通讯、控制系统造成干扰，轻者产生噪音，重者导 致信息丢失，造成系统无法正常工作。 2 南京航空航天大学博士学位论文 1 2 2 谐波的来源 若要对谐波污染进行有效的治理，首先要找到谐波产生的根源，当前已经公认 各类非线性用电设备是产生谐波的主要来源。在电力电子设备大量应用之前，变压 器、电弧炉以及日光灯等电器是主要的谐波污染源，但在电力电子设备广泛应用的 今天，电力电子装置已经成为最大的谐波源。在各类电力电子装景中，整流装置所 占的比重最大。根据1 9 9 2 年日本电气学会的调查报告【4 】，在被调查的1 8 6 家有代表 性的用户中，最大谐波源为整流装置的用户占6 6 ，为办公及家用电气的用户占 2 3 ，为电弧炉的用户占4 。因此最大谐波源为电力电子装置的用户占9 0 。 目前，常用的整流电路几乎都采用品闸管相控整流电路或者二极管整流电路。 这种结构的电路伏安特性呈现严重非线性。即使供电电压为标准正弦波，负载电流 也是严重畸变。由于电源内阻不为零，这种包含大量谐波成份的电流必然会产生谐 波压降，使得输出波形畸变。对于逆变器而言，当负载侧为不控整流桥、滤波电容和 电阻时，由于二极管具有单向导通特性，只有电源电压瞬时值高于负载侧电容电压 时才有电流，而二极管一旦导通，负载又呈现很低的线路阻抗。随着二极管周期性 的导通关断，整个电路拓扑结构周期性变化，逆变电源输出电流为一系列的尖顶窄 脉冲，一般情况下，输入电流t h d 高达1 0 0 ，此时逆变电源输出电压会出现明显 消顶，电压t h d 会超过5 ，严重时会达到1 0 以上，远远超出供电质量的标准。 1 , 2 3 谐波的标准 制定谐波标准是控制谐波含量的主要技术依据。世界各国和相关国际学术机构 相继制定了相关标准1 5 】。如美国的i e e es t d - 5 1 91 9 9 2 ，德国的v d e 0 8 7 1 ，欧洲标准 e n 0 6 5 5 5 2 。不同的标准针对不同的情况，有的是针对公共电网接入点电压的谐 波，有的针对用电设备的电流谐波，有的针对用户系统的电流谐波。目前国际广泛 接受的是i e c 6 1 0 0 0 3 2 标准。我国的国家标准是g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电 网谐波，标准中规定了公用电网谐波电压。见表1 1 所示。 表1 1 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 电网标准电压( k v ) o 3 86l o3 56 6“o 电压总谐波畸变率( ) 5443 02 02 o 各次谐波电压 奇次4 03 23 22 42 41 6 含有率 偶次 2 ol ，61 61 2 i 2o 8 此外，对于每相输入电流小于1 6 a 的用电设备，它的谐波情况国家也作了相应 的规定。国标g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值( 设备每 相输入电流1 6 a ) 将用电设备分为四类：a 为平衡负载类：b 为便携式工具；c 基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究 类为照明设备；d 类为输入电流为特殊波形并且有功功率p 一 6 0 0 w 的设备。对于d 类设备，具体参数见表1 2 。 表1 2d 类设备参数表 谐波次数( n )3 5791 11 3 n 3 9 每瓦允许谐波电流 3 41 91 00 5o 3 53 ，8 5 n ( m a w ) 晟大容许谐波电流( a ) 2 31 1 40 7 70 40 3 32 2 5 n 1 2 4 解决谐波污染的方法 当前解决谐波污染的方法主要有三种，一是对产生谐波的电力电子装置的拓扑 结构和控制策略加以改造，从根源上消除谐波来源；二是在电网侧对已经产生的谐 波进行补偿，降低谐波对其它用电设备的危害与影响：三是从电源端入手，选用适 当的控制方式，降低电源内阻，减小谐波压降引起的输出电压失真。 ( 1 ) 当前电力电子装置大多使用传统的相控整流或不控整流作为输入级，这是 产生电网谐波的主要来源，因此可以考虑对整流方式进行改进，采用低谐波电流输 入的整流方式。最常见的方法是采用多重化技术增加换流器的相数1 4 6 l 。分析可知， 整流装置的特征谐波次数为h = k p 1 ，式中k 为正整数，p 为整流装置脉动数。因 1 此理论上最大的谐波发生量为i h = i ，增加整流数将使特征谐波次数提高，相 n 应的谐波电流减小，例如大功率u p s 通过1 2 相整流可以将输入功率因数提高到 0 9 5 以上。但是多重化技术的缺点是需要专用的变压器，使得装置复杂，成本增 加，而且它无法消除高次谐波l ”。 此外，可以将逆变器的拓扑结构和p w m 控制方式应用于整流器，从而获得低 谐波输入电流和可调整的功率因数。早在7 0 年代，人们就尝试将p w m 控制用于整 流器1 8 ，但是由于电力电子器件的限制，一直没有大的进展。近年来随着谐波污染 的加重和相关标准的实行，为p w m 整流器的研究和发展注入了动力，大容量的全 控型电力电子器件的成熟也为p w m 整流提供了物质基础。自8 0 年代中期开始，有 源功率因素校正( p f c ) 技术成为电力电子技术的一个研究热点i9 1 ，它与p w m 整流 器一样，都是以p w m 方式工作的a c d c 电路，采用这种技术的整流器具有结构紧 凑，控制灵活，功率因数高的特点，是治理谐波的一个重要方法。目前此类整流器 还存在控制复杂、功率较低等问题，而大功率p w m 整流器成本较高，短期内难以 广泛应用。 ( 2 ) 针对电网中已经存在的谐波，可通过下面三种方法进行抑制1 3 , 1 0 。第一种 是传统的无源滤波装置，在谐波源附近安装若干单调谐及高通滤波支路，可以吸收 4 南京航空航天火学媾士学位论文 谐波电流。这类装置多出电力电容器、电抗器和电阻器组合两成。该方法结构简 辈，牲娆可靠，缝护方便，广泛应用于邀网系统。理是我方法也存在骥浸的缺点， 补偿特性受电网阻抗和遗行状态影响，翰与系统发生并联谐振，造成滤波器过载甚 至烧毁，因此需专门设计各元碉：参数。尽管如此，它仍是当前补偿谐波的最主要手 段。第二种方法是加装静止无功补偿装鹫。其基本结构蹙由快速可变的电抗或电容 组合而成。它可以有效地减小谐波源的谐波量，具有抑此电压波动、闪变、三捆不 平衡和幸 经功率鬻数静功麓。第三静方法是采掰有源电力滤波器( a p f ) 盼“ 。有 源滤波器本质是个谐波发生器，它对电网中的谐波进行检测，通过p w m 技术生 成大小相等相佼捅差1 8 0 4 敦谐波，然后将l 谐波注入瞧弼以抵消秀丽中的谐波。 a p f 可以对大小和频率都在变化的谐波进行补偿，具有响应速度快、补偿效果好的 掩点，恧且对电测没有影响，不存在谐掇戆危险。虽然a p f 具蠢显著熬优点，爨是 离实用阶段仍有一段距离，主要问题集中在以下几个方面：首先是开关频率问题。 为了有效补偿高次谐波，需要开关器件工作在较高频率，但是大功率装鼹为了减小 开关损耗，开关频率一般较低。獒次，器件的原因限制了a p f 的容量，不能充分发 撵作用；第三，嗣前a p f 的成本较高，雉以推广。 ( 3 ) 对予c v c f p w m 逆交电源两吉，输出电压畸变泉源予谐波电流在逆交黎 输出阻抗上的压降。如果降低逆变器输出阻抗，则可以解决电压畸变问题。对此， 霹慕爨嚣褥方法：一秘方法是在遴变爨浚密臻壤浚l c 港藏支蹿，透过会理设鬟谐 振频率，使它对特定次谐波输出阻抗近似为零【1 3 ，“j 。但魑此方法对每一次谐波都要 增设一个l c 支路，使得电源傣积、重量、成本大大增粕。另一种方法是通过提葛 开关频率来减小滤波电感，从而降低逆变电源输出阻抗。这种方法对予小功率产品 十分适合，但是对于中、大功率魄源，受器件艰到，开关频率不可能很高，滤波电 感减小的余逸不大，此方法受到t 限制。 如果能够在不改动硬件的前提下，通过一定的控制方法减小输出电压谐波，那 么这稀方法酶优势是不富黹喻静。通过研究发蕊，弓l 入输出电压的瞬时值反馈控锸 可以明显增强电源系统抗御非线性负载扰动的能力，减小了电压输出波形畸变。这 是嚣蔻采用电压瓣薅值反馈控裁技术后p w m 逆变器豹潮环输出阻挠程时开环情猿 大大降低 1 4 1 。与增设无源滤波环节或单纯提高开关频率的方法相比，通过控制手段 降低赣爨辫攘豹方法雯麓擎有效。 对于逆变电源系统而言，除了非线性负载外，为了防止桥臂直通而设置的死区 延蛙选会对电压波形造成影瞒【1 5 j 。死区豹券在使得理想p w m 输出电鹾中叠知了一 组高频脉冲，其幅值、频率与p w m 脉冲相同，宽度等于死区时间，包络线为方 波，这一波形中包含开关频率以下的低次谐波，增加了输出电感波形的嚷变。为了 克服死区的影响，可既采取各种措施进行补偿，但这些补偿措施对非线性负载的影 响是无效的。采用波形控制技术赢，作为一种闭环控制乎段，它不但能克服非线性 受裁影确，两徉键可戳克鼹死区效应的影响。本文所要研究的就蹩通过适当的掩翩 基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究 策略使c v c f p w m 逆变器输出电压波形在非线性负载下保持理想正弦波。 1 3 波形控制技术发展概述 由于输出电压总谐波含量( t h d ) 是电源的一个重要指标，因此波形控制技术 一直是p w m 逆变器领域的研究热点，各种控制理论在逆变电源上都有所应用，下 面简要介绍几种常见的控制方案： ( 1 ) p i 控制1 6 , 1 7 1 p i 控制以形式简单、参数易于设计、理论成熟为特点，成为当前最经典、应用 最广泛的控制方式。在电源中有电压有效值反馈和瞬时值反馈两种形式的p i 控制。 对于采用瞬时值反馈的p i d 控制系统，由于空载的逆变器模型近似于二阶临界振荡 环节，积分器的作用又会增加相位滞后，为了保证系统稳定，控制器的比例p 必须 加以限制，控制系统的动态性能一般，系统对非线性负载扰动的抑制效果不好。由 控制理论可以知道，对于正弦指令信号，p i 控制器不能实现无静差跟随，输出电压 的稳态精度必然受到影响，实际系统中往往增加电压均值反馈外环来保证稳态精度 【l8 1 ( 2 1 双闭环控制1 1 8 - 2 2 1 对于电压单闭环控制系统而言，只有当负载扰动的影响在系统的输出端表现出 来以后，控制器才能有所反应。由电路结构可以知道，电流的变化快于电压的变 化，如果在逆变器的电压环内增加电流环，就可以显著提高系统的动态性能，及时 消除负载扰动的影响。同时由于电流内环对系统特性的改造，系统稳定性得到加 强，大大简化了电压外环设计。双闭环控制同时具备优良的动、静态特性，是一种 理想的波形控制方案。但它也存在不足之处：如果存在非线性负载扰动，为了消除 干扰影响，电流内环需要很快的速度，这使得内环只能采用模拟电路实现，数字控 制器难以达到满意的速度。如果内部电流环采用滞环比较形式，由于滞环的非线性 特性，对系统稳定性有一定的影响。为了更好地抑制负载的扰动，滞环的宽度越窄 越好，但这会使开关频率急剧升高，因此这种形式控制器对非线性扰动的抑制能力 有一定限制。 ( 3 ) 无差拍控制【2 3 2 6 】 状态变量的无差拍控制早在1 9 5 9 年就由k a l m a n 提出，但是直到8 0 年代中期无 差拍控制才在逆变电源上得以应用。随着高性能处理器的出现和无差拍理论研究的 深入，针对逆变电源的无差拍控制已经广泛开展起来，而且取得了不少研究成果。 无差拍控制是在控制对象离散学模型的基础上，根据系统的状态方程和输出信号的 反馈量来计算逆变器的下一个采样周期的脉冲宽度。如图1 2 所示的逆变电源 6 南京舷空航天人学博士学位论文 罄1 2 滋变电深掇翻 中，可以将负载等效为一个电流源，i 。为任意值。选择输出电压v 、电感电流i ，为 状态交量，系统袄态方校为： i 船a x 十廖“ ly = c x 其中x = v ，i 】7 ，y = v ，“= 【u i o ； z = | 0 上1 l ，嚣= l 。恐一苫。 ，c = c t 。，； 状态方程离数他褥： i 算( t + 1 ) = a + x ( j i ) + b u ( k ) ly = c x ( k ) 爿= t _ r = 芝：2 ，b 。一。t e j r 一，曰= 乏：乏： ； t 为采样周期，i 为单位矩阵， 由离散状态方程得 v ( k + 1 ) = q l v ( 移+ a 1 2 屯( i ) + 旗l u ( 女) 十岛2 i ( k ) 上式表明，输出电压豹下一次采样值是本次输出电聪、电感电流、逆变器输出 毫运班及受载彀流采稀僮酶线往维会。令输密窀藤v ( k + 1 ) 与其撩令参考僵 阶( 七十1 ) 相等，得到无麓拍控制律 u ( j ) = v , e f ( k + 1 ) 一# l l v ( k ) 一a 1 2 t l ( k ) b 1 2 i o ( k ) b , l u ( 后) 是由逆变器直流母线电压e 和脉冲宽度r ( k ) 决定的，计算t ( k ) 得到 ，( 秘= u ( k ) t e 上式栽明在每个采样间隔发出的控制量r ( k ) 是根据当前时刻的状态向量和下 个采样辩剡豹参考正弦波诗算褥掰靛，蠢受载砉| 耋动或j 绫经受载弓| 超雩罨输蹬毫藤偏 差可在一个采样周期得到修正。 翠期泌无差撼控利怒基于隰继受载瑕设，受鼗逶应瞧差，袋建撬动菇测爨【1 7 , 2 7 1 可以实时预测负裁电流，可以显著增强负载适应性。针对计算延时影响、直流电压 裂用率熬嬲题，w 疆采用状态鼹溅嚣【2 7 1 将控铡 磐翔提蘸熬来辫决。 塑彳 替 基于壤复控制蠼论的逆变电源控制技术研究 无差拍控制的优势在于极高的动态性能，输出能够很好地跟踪给定值，波彤崎 交小，缺点楚对系统数数学模型精璇要求惑。另外，虫于它具有套一个袋蝾周麓肉 消除误差的特性，控制动作比较剧烈，当数学模型与实际对象有蓑异时，不但达不 到控制效果，还会燃成输出性能恶化甚至系统不稳定，危鬻逆变器的安全运行。当 前瘸子逆变器控稍鹩无差掐羟镪已经发展了五种不同的方法： 以阻性负载为綦础的无差拍控制； 蔽挠动瓣涮器为蓬磴鹃凭差稻控稍l 型； 以扰动观测器为基础的无差拍控制器i i 型： 瑷蠹部横型滠璎为基础熬极点熬莲毳差籀控摹g ； 以数字p i 调节为基础的无差拍控制； 无差拍羧到是一釉优点秘缺点都很突出的控制方式，针对它的闷题，莠不少学 者采用与其它控制方式相结合的方式来克服，这方面的研究是无藏拍控制的一个研 究热点。 f 4 ) 状态反馈控制 扶控裁凝论豹翘凄寒谈，溺环蓉统经魅与鲻环缀焘蜜甥摇关。经典控粼理论弱 调整汗环增赫及引入串、并联校正装置来配簧闭环极点来改善系统性能；而在状态 空闻的分析中，除了测用输崽反馈以步 ，主要利用状态反馈来配鬟极点，它能提供 更多的校正信息，从而得到最优的控制规律，抑制蛾消除扰动的影响。从状态空问 角度分手斥，单闭环控制系统性能不佳的原因可以勰释为单独的输出反馈未能充分利 用系统的状态信怠。如采将输岛反馈改为状态反馈，应该龋够改善控制效果。与双 闭环控制类似，状态反馈波形控制系统也需要二个反馈变墩，但怒并不用它来构成 猛立的阙环按箭回路，丽怒在获悉警阔穰念上逶过合理选铎反馈穗益阵来浚变对系 的动力学特性，以实现不同的控制效果。 袄态复缓控秘豹凌大臻杰是霹激太大改善系统黪动惫麓蔟，戮为它露以任意聚 鼹闭环系统的极点。由于建立逆变器状态模型时很难将负裁特性究全考虑在内，所 鞋拔态反馈控裁哭憝铮对空载或瑕定阻性受载送行，魏巢不采取棚应措蓬( 增莰受 载电流前馈补偿，预先进行鲁棒分析等) ，则负载的变化将导致稳态偏差的出现和 动态特性的改变i 2 。 ( 5 ) 滑模变结构控制口0 。3 2 j 掰谓交缭季鼋是臻在系统工俸孛，羧据逶行参数髂交稼嫠系统中繇萤之阗静联结 方式发生变化，或者某些倍号的极性发生变化，具谢这类特征的控制系统均可成为 交皱擒控裂系绞。 滑模变结构控制是一种j e 线性控制方法，它是利用某种不连续的开关控制策略 宏强遗系统豹状态变量沿蓉糖乎瑟巾菜一预先设诗好豹“澎动摸态”孰迹运动，从 8 毫塞靛空航天大学潜士学位论文 瓤达到预期的性能。它起源于对继电特性和b a n g b a n g 控制系统的研究。滑模变结 秘控制系统的最大优点楚箕对参数变讫和外部貔动不敏感，具有强餐棒往，丽叠箕 吲有的开关特性吸引了众多学者将它应用于逆变电源的控制之中。早期逆变电源的 淆模控翻采露模藏电路安蕊，磷 牟电路嶷杂，藤显控溺功l 有黻。虽然可敬躅舞性 能处理器代替模拟控制f 乜路，但是由于连续滑模控制器的设计方法不能直接用于离 教溪摸羧麓器豹设计，藤教采襻胃蔻会譬致系统振动或系统不稳，毽戴需要完全不 同的离散滑模控制技术。适合微处理器的离散滑模控制器的设计方法能够保证逆变 恕源系统麴动态瞧毙，攥是系绞熬稳态姓能却不够理想。有学爨在褰教滑摸控键的 熬础上引入了前馈控制，改善了稳态性能，取得了较好的动、静态性能，但是当负 载超出正常僮后，漏模控镥器的负担会变彳导非常重。 滑模控制具有侠速性和强鲁棒性的优点，健在应用上存在些问蹶。首先是逆 变电源系统的理想滑模切换面很难选取：其次，滑模变结构控制只有采用数字影式 蜜现方巢有大静艨用价德，丽数字式淆模变结构控翻旯有当采样频率鼯够高时才能 肖较好的控制效果，这然缺点限制了它的应用。目前采用滑模的逆变电源还停留在 实验室除菠，岗辩遗一莎戆研究才能寝翻餐实舔产品之中。 ( 6 ) 模糊控制 模糊控制属于智能控制的范畴，它疑有不依赖控利对象数学模型的特点。自从 l a z a d e h 建立模糊逻辑这一理论以来，模糊控制已广泛应用于各类控制领域。对于 鬃有多变量菲线住时变特往的惫力电子袋置，系统存在笈杂健与模型耩确往之阉的 矛盾，而模糊控制能够在准确与简明之间取得平衡，有效地对事物作出判断和处 穗。露予遂变毫滚系统亵言，暴鞠模糊控制器毒虢下往患： a ) 模糊控制器的设计过程不需要被控系统精确数学模型，模糊控制器有潜较 强款器襻性翻爨适应瞧。 b ) 查找模糊控制寝所占用的处理器时间很少，因而可以采用较商的采样率来 补偿模糊规则和实际经验鹣偏募。 文献f 3 3 】采膈输出电压和电感电流反馈，即把电匿误差和融感电流作为输入模 糊变量，实现了逆变电源的模糊控制，谯整流性负载下输出电联t h d 缎小于5 。 文献 3 4 ，3 5 将模襁控稀无差桶相结合，由前者补偿无差擒控制在菲线性负载时的 豳1 3 带有模糊补偿器的逆变电源系统 9 基于重复控制理论的逆变电源控制技术研究 电压跌落，减小了非线性负载时的波形失真，原理框图见图1 3 。该系统克服了无差 拍控制对参数敏感的问题，使得系统有较快的动态性能，较小的稳态误差。 在控制理论中已经证明，模糊控制可以以任意精度逼近任何非线性函数。但是 受当前技术水平的限制，模糊变量的分档和模糊规则数都受到限制，而且隶属函数 的确定还没有统一的理论指导，带有一定的人为因素，因此模糊控制理论需要进一 步研究和完善。 1 4 重复控制理论的发展及应用 从波形控制的发展可以看出，无论是p i 控制、无差拍控制，还是滑模控制和模 糊控制，都是通过提高系统动态性能的方法抑制干扰，改善输出波形质量。这种方 法对负载突加突卸情况下波形的控制有很好的效果，但是对于周期性的扰动，例如 整流型负载时，上述方法的效果并不理想。这种情况下采用重复控制技术可以取得 非常满意的波形控制效果。重复控制器与其它控制器不同，它并不追求很高的动态 特性，而是利用扰动的“重复性”这一规律，“记忆”扰动发生的位置，根据相应 的控制规律，有针对性地修正输出波形从而在稳态条件下实现对给定信号的完美 跟踪。 重复控制是基于内模原理1 3 6 1 的一种控制理论。由内模原理可知，在一个闭环调 节系统中，如果反馈回路中包含一个描述外部信号动力学特性的数学模型( 即内 模) ，那么该系统具有理想的指令跟踪特性和扰动抑制能力。但是在内模理论的应 用中，存在这样一个问题，即在某些系统中的扰动信号不是单一频率正弦信号，信 号频谱中包含多种谐波成分，在使用内模理论时，必须对每一个干扰信号设置一重 内模，当谐波成分较多时，相应的内模数量也多，控制器在工程上难以实现。针对 这个问题，t i n o u s 于1 9 8 1 年提出采用重复控制的方法消除系统的谐波干扰，并进 行了成功的应用1 3 7 , 3 8 1 。由于重复控制独特的性质，吸引了以s h a r a 、m n a k a n o 和 t o m a t a 为代表的一批学者对重复控制理论进行研究 3 9 - 4 2 1 。1 9 8 5 年，s h a r a 从数学 上证明了重复控制的本质是基于内模原理的一种控制方法| 4 3 1 ，并将此它推广到多变 量系统中【4 4 1 ，完善了重复控制的理论体系。由于重复控制器多采用数字控制的形 式，m t o m i z u k a 和k c h e w 等学者对离散时间域的重复控制特性进行了研究1 4 5 , 4 6 1 ， 并针对控制对象模型提出了改进的离散重复控制器 4 7 - 5 0 】。至此，传统的重复控制理 论以及设计方法基本成熟，重复控制器在机械、铸造、机器人、卫星姿态控制以及 硬盘磁头定位等领域得到了广泛应用1 5 1 - 6 1 1 。当前重复控制理论的研究重点主要集中 在两个方面：第一是新的重复控制器设计方法【6 2 。6 4 j ；第二是参考信号或扰动信号为 变周期信号的重复控制理论1 6 5 , 6 6 1 。 由于重复控制理论独特的性质，它也引起了电源方面专家的注意。为了解决整 流型负载引起的输出电压波形畸变，t h a n e y o s h i 、a k a w a m u r a 和r g h o f t 于1 9 8 8 南京航空航天大学博士学位论文 年首次在逆变电源中引入重复控制器【6 7 】，开创了重复控制理论的一个新的应用领 域。但是受当时硬件条件的限制，谐波的抑制效果不太理想。最重要的是，在这一 时期重复控制理论尚不完善，加上忽视了电源系统与机械系统的差别，简单套用机 械系统的重复控制器设计方法，导致系统的稳定性较差【l7 1 ，这使得在其后的一段时 间里重复控制器仅作为辅助控制器与其它控制器结合使用【6 ”。为了解决系统稳定性 的问题，文献 6 9 1 采用自适应算法对受控对象进行辨识，在线调整重复控制器参 数，系统稳定性和控制精度得到了改善。但是此方案算法复杂，控制器实现较困 难。文献 7 0 ，7 1 1 给出了一种相对简单的方法，通过采用改进型常数内模和相应的补 偿器改善了系统的稳定性，但是它降低了系统的误差收敛精度和收敛速度，谐波抑 制作用有所下降。对于电源系统而言，除了稳态性能以外，动态性能也是一项重要 指标，由于重复控制器结构上存在周期延时环节，动态性能不如其它方法的控制 器。为了得到满意的动、静特性，当前很多学者研究将重复控制器与其它控制器结 合，例如无差拍技术 7 2 - 7 4 】、状态反馈 6 9 , 7 0 , 7 5 1 等。采用这些方法大大降低了负载突变 对系统的影响，但是对于非线性负载引起的误差，系统的收敛速度并没有改善。从 现有文献来看，此种误差收敛时间大于7 个参考信号周期( 约1 2 0 - 2 0 0 m s ) ，有的甚 至为数秒，而且采用多控制器造成系统结构复杂，设计困难。根据重复控制理论可 知，理想情况下误差收敛仅需一个参考信号周期，因此在不添加其它控制器的情况 下，最大程度的发挥重复控制器的性能是值得研究的课题。 当前，重复控制已经在电源系统中得到应用，展示出优良的性能，但是由于分 析和设计方法的滞后，并不完全适用于电源系统，设计的控制器性能与理论预期还 有一定差距。 1 5 选题依据 在上面介绍的逆变器波形控制技术中，理论较为完善并且实际控制效果较好的 方案主要有无差拍、双闭环和重复控制这三种，本文选择重复控制技术作为研究对 象。与其它控制相比，重复控制具有以下优点： ( 1 ) 对于未知的干扰信号，充分利用了它唯一可知的特性重复性，从而降 低了控制难度，减轻了控制器的负担。 ( 2 ) 只需一个电压反馈环，不需检测电流变化，因此电路结构简单，易于实 现。 ( 3 )具有非常好的稳态性能及波形质量，理论上可以实现无稳态静差。 ( 4 )与无差拍相比，控制算法简单，对控制速度要求不高，而且可以实现控制 动作的超前性。 综上所述，重复控制系统具有易实现、成本低、效果好的优点，是一种优秀的 控制策略。其基本思想可以推广到其它需要跟踪重复指令或抑制重复扰动的控制场 基丁重复控制理论的逆变电源控制技术研究 合。重复控制多采用离散数字控制的形式，对微处理器的性能有一定的要求，对于 周期较长的信号，需要较大的存储空间。随着芯片技术的发展，这一问题已经得到 解决。传统的重复控制理论和设计方法都是针对机械系统而发展的，需要重新研究 适合逆变电源系统的理论和方法。这一研究工作不但具有理论意义，也具有工程应 用价值。 1 6 本文研究内容 关于重复控制在逆变电源上的应用，国际上已有了一定的研究，但是无论理论 还是实践上都有进一步研究与完善的空间，国内在此方面的研究尚处于起步阶段。 本文以基于重复控制理论的逆变电源控制技术作为研究课题，在以下方面进行了研 究：重复控制器的基本结构和特性：重复控制器设计方法的理论研究；针对逆变电 源系统的重复控制器设计方法：基于数字信号处理思想的全新设计方法。各章的具 体内容如下。 1 第二章对重复控制的基本理论和特性进行了研究。首先介绍了重复控制理论 的基本思想，对控制器的结构、功能和系统性能方面进行了讨论，着重研究了 以下三个方面： ( 1 ) 从极点分布的角度出发，对补偿器s ( z ) 的特性进行了分析，推导出了控制 器参数与受控对象之间的最优关系，从而得到理想的补偿器形式。 ( 2 ) 对非谐波次干扰下的性能进行了分析，得到重复控制器参数与非谐波次干 扰的放大倍率m 。之间的关系。 ( 3 ) 对重复控制器的瞬态性能进行了分析，得到阶跃型给定信号下重复控制系 统的动态响应规律。 2 第三章在完美对消法的基础上，针对原方法存在的问题( 无法得到最优的控 制器参数) ，根据极点与性能之间的关系，推导了两种控制器设计方法。 ( 1 ) 在理想内模和改进内模条件下，对重复控制器的形式和参数进行了推导， 解决了受控对象含有单位圆外零点情况下的控制器设计问题，并分析了不 同类型内模对控制器性能的影响。 ( 2 ) 给出了一种基于理想内模情况下的改进型设计法，较好的解决了系统稳定 性与误差收敛特性之间的矛盾。 3 第四章中，给出了一种适合逆变电源系统的重复控制器设计方法，在以下方 面进行了研究： ( 1 ) 对逆变电源的建模进行了分析，提出了一种适用于重复控制系统的简单建 模方法。 ( 2 ) 提出在逆变电源系统中重复控制器中的补偿器s ( z ) 本质为低通滤波器的观 点，在此基础上设计了补偿器s ( z ) ，并对提高s ( z ) 性能的方法进行了研究。 1 2 南京航空航天大学博士学位论文 ( 3 ) 根据第二章的控制器参数最优关系，对内模参数q ( z ) 进行了研究和设计， 对函数型内模的设计以及性能进行了分析。 4 第五章中采用数字信号处理的思想，将控制器的设计问题转化为数字滤波器