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基于滑模变结构控制的单相逆变器双闭环控制策略研究

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基于滑模变结构控制的单相逆变器双闭环控制策略研究

作者：陈泽华杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本世纪随着新能源的普及,如何充分开发和利用新能源从而解决能源紧缺以及用电需求急剧增长等问题已经成为全球各国学者研究的热点。与此同时,人们对电能品质的需求也越来越高,因此逆变技术作为核心技术也自然成为了科学家们的关注点。... 详细信息

本世纪随着新能源的普及,如何充分开发和利用新能源从而解决能源紧缺以及用电需求急剧增长等问题已经成为全球各国学者研究的热点。与此同时,人们对电能品质的需求也越来越高,因此逆变技术作为核心技术也自然成为了科学家们的关注点。本文主要以电压型单相逆变器为研究对象,对其工作原理进行分析建模,提出了一种线性滑模控制算法,并在此基础上提出一种基于改良幂次趋近律的滑模控制器,从而使得单相逆变器的输出性能得到改善。由于逆变器控制系统在实际运行中会受到外界因素以及参数的不确定性的干扰,因此需要依据逆变器的工作原理建立包含干扰项的数学模型。系统采用双闭环控制结构,其中主要以电压外环为主,并结合Lyapunov稳定性验证了其合理性。为了进一步降低输出波形的总谐波失真率以及抖振时延,将神经网络与滑模控制相结合,利用神经网络对非线性函数的高精度拟合能力对干扰项进行逼近并实时补偿。其中,采用极限学习机（Extreme Learning Machine,ELM）与干扰观测器相结合,同时引入一种新型到达控制输入-围墙函数,设计了一种基于ELM的积分终端滑模控制器。干扰观测器本质是一种对系统干扰的估计策略,在不需要对干扰建立精确的模型前提下对干扰项进行等效的补偿。为验证本文设计控制器的可行性,在PSIM仿真平台上进行五种控制策略的模型搭建,并采用DSP核心芯片TMS32F28335搭建硬件实验平台进行实测分析。实验结果表明两种优化后的滑模控制器使得系统的输出波形的鲁棒性得到了提高,而基于ELM积分滑模控制器在外接线性和非线性负载的情况下,系统输出波形的总谐波失真率（Total Harmonic Distortion,THD）仅为1.95%和3.92%,表明该控制器使得系统负载切换响应速度更快以及输出电压波形动态性能和鲁棒性更佳。

关键词：单相逆变器 ELM神经网络滑模变结构控制双闭环控制围墙函数

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基于DSP的单相逆变器设计与控制技术研究

基于DSP的单相逆变器设计与控制技术研究

作者：潘博威西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着“碳中和”、“碳达峰”发展理念的提出,以光伏和风电为代表的可再生能源发电技术取得了飞速发展。逆变器作为可再生能源发电的关键环节,研究其控制技术是保证逆变器安全稳定运行的重要基础。因此,本文结合滑模控制的基本理论,针对... 详细信息

随着“碳中和”、“碳达峰”发展理念的提出,以光伏和风电为代表的可再生能源发电技术取得了飞速发展。逆变器作为可再生能源发电的关键环节,研究其控制技术是保证逆变器安全稳定运行的重要基础。因此,本文结合滑模控制的基本理论,针对单相L型逆变器和单相LC型逆变器,分别提出了基于滑模的一阶切换序列控制技术和二阶切换序列控制技术,并从理论上分析了控制参数对系统性能的影响,搭建了其对应的仿真模型,分析验证了所提方法的有效性。同时,设计了单相逆变器硬件实验平台,完成了所提方法的软件开发,通过软硬件联合调试,完成了实验验证,实现了逆变器输出对参考的准确跟踪。首先,本文针对单相L型逆变器,提出了一种基于滑模的一阶切换序列控制技术。通过建立L型逆变器的数学模型和设计切换序列控制器,分析了一阶切换序列控制技术的稳态精度和动态性能的影响因素。在此基础上,通过搭建MATLAB仿真模型,验证了所提方法的有效性。仿真结果表明,基于滑模的一阶切换序列控制技术具有良好的稳态精度和快速的动态性能。其次,在设计了一阶切换序列控制技术的基础上,本文针对应用范围更广的单相LC型逆变器,提出了一种基于滑模的二阶切换序列控制技术。通过电路分析和离散化,建立了LC型逆变器的数学模型。然后基于所建立的数学模型和滑模控制理论,设计了二阶切换序列控制器,并在理论上论证了控制参数对系统性能的影响。之后通过仿真验证,证明了所提方法的有效性,仿真结果表明,所提方法动态性能好,稳态精度高。再次,为了进一步验证所提一阶切换序列控制技术和二阶切换序列控制技术的控制性能,本文设计了基于DSP的单相逆变器硬件平台,给出了逆变器硬件电路的总体方案和技术指标。又根据电路功能划分,详细设计了功率主电路、驱动电路、控制电路等电路,并对PCB布线进行了优化,进而完成了硬件电路的PCB设计。最后,基于CCS软件开发平台,本文完成了系统主程序模块、PWM中断服务程序模块、采样程序模块和保护程序模块的软件设计,实现了切换序列控制技术算法。根据实验结果,详细分析了基于滑模的一阶切换序列控制技术和二阶切换序列控制技术的控制参数对系统动态性能和跟踪性能的影响,实现了逆变器输出对参考的准确跟踪,验证了所提控制技术的正确性和有效性。

关键词：切换序列控制单相逆变器滑模控制硬件电路软件设计

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两级式单相逆变器的设计与控制策略研究

两级式单相逆变器的设计与控制策略研究

作者：刘海兵哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

风电、光电作为清洁能源受到新能源领域的广泛关注,我国新能源发电总量也是逐年攀升。新能源的发展带动了直流微电网的发展,也催生了电力电子领域的革命性发展,而逆变器作为电力变换的主要装置之一,逆变技术再次走在引领新能源发展的前... 详细信息

风电、光电作为清洁能源受到新能源领域的广泛关注,我国新能源发电总量也是逐年攀升。新能源的发展带动了直流微电网的发展,也催生了电力电子领域的革命性发展,而逆变器作为电力变换的主要装置之一,逆变技术再次走在引领新能源发展的前列。在这样的时代背景下,本文以高频隔离型逆变器为研究对象,主要研究目标是:设计一个复合控制器应用在该逆变器上,实现逆变器拥有良好的动态特性的同时输出低THD的电压波形。针对高频隔离型逆变器拓扑的拓扑选型,提出使用两级式高频隔离型逆变器的电路结构作为主电路。针对逆变器工作与宽范围电压输入的条件下,前级DC-DC部分选择三电平半桥直流变换器作为拓扑,由于前级DC-DC只起稳定输出电压作用,相当于一个中间级,因此采用单环电压型控制。后级DC-AC采用单相全桥逆变器拓扑,分析了单相全桥逆变器的数学模型,并研究了逆变器相关参数对系统的影响。在经典双闭环PI控制和重复控制的基础上研究了其性能和结构特性,并由此深入到二自由度双闭环PI控制和改进型重复控制器。二自由度双闭环PI控制可实现对跟踪性能和抗干扰性能参数的独立整定,改进型重复控制器可在系统稳定的前提下保证对周期性谐波信号的强抑制能力。最后本文将二自由度双闭环PI控制和改进型重复控制器组合成一个PI+重复控制的复合控制器,理论上证明复合控制器可同时兼具两种控制方法的优势,且复合控制器系统是稳定的。仿真结果证明了该策略的有效性与可行性。基于上述的理论分析,设计并搭建了一个实验样机平台,进行了相关仿真与实验验证。实验结果表明,所提出的复合控制策略具有良好的动态响应性能和对谐波的强抑制能力,也侧面验证了改进型重复控制方法的有效性。

关键词：单相逆变器双闭环PI控制重复控制复合控制

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单相逆变器RST(多项式)控制

大功率变流技术 2015年第6期 33-37页

作者：龙涛孙驰舰船综合电力技术国防科技重点实验室(海军工程大学) 湖北武汉430033

RST(多项式)控制是一种基于极点配置的两自由度控制方法,相比传统控制增加了一个自由度,实现了调节特性与跟踪特性的独立设计。文章介绍了在离散域设计的单相逆变器电压和电流环RST控制器,将谐振项引入到控制器参数计算中,在静止坐标系... 详细信息

RST(多项式)控制是一种基于极点配置的两自由度控制方法,相比传统控制增加了一个自由度,实现了调节特性与跟踪特性的独立设计。文章介绍了在离散域设计的单相逆变器电压和电流环RST控制器,将谐振项引入到控制器参数计算中,在静止坐标系下实现了对正弦参考信号的无静差调节;研究了参考信号频率波动以及控制对象参数波动下RST控制器性能。通过在RST控制器多项式S中附加积分项,大大提高了控制系统的鲁棒性。实验结果表明,采用RST控制器的单相逆变器频率适应性强、鲁棒性好。

关键词：单相逆变器 RST控制器极点配置多项式方程频率波动

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基于PI+重复控制的单相逆变器的研究

基于PI+重复控制的单相逆变器的研究

作者：吴健芳广西大学

学位级别：硕士

逆变器控制技术的研究由来已久,但随着以太阳能为首的新能源发电技术的发展,新一轮的逆变控制技术研究热度再起。在此背景下,本文提出一种PI+重复控制的复合控制方案,尝试将PI控制快速响应的动态性能和重复控制对谐波强抑制作用的稳态... 详细信息

逆变器控制技术的研究由来已久,但随着以太阳能为首的新能源发电技术的发展,新一轮的逆变控制技术研究热度再起。在此背景下,本文提出一种PI+重复控制的复合控制方案,尝试将PI控制快速响应的动态性能和重复控制对谐波强抑制作用的稳态性能融合在逆变系统中。全文主要围绕该复合控制方案的可行性进行分析研究。文章以单相全桥逆变器为研究对象,在等效电路模型的基础上建立了逆变系统的传递函数数学模型,根据系统模型的频率响应特性分别设计了双闭环PI控制器和重复控制器,并就复合控制系统的特征方程推断出系统的稳定条件;随后在MATLAB的Simulink平台上搭建了复合控制逆变系统的仿真模型,从仿真波形观察PI控制系统和重复控制系统在动、静态性能上的优势所在,并验证复合控制方案在仿真系统中确实可用。试验样机的制作包括硬件设计和软件设计两部分。硬件部分涵盖输出滤波器、RCD缓冲电路、采样电路、驱动电路的设计以及电路参数的计算;软件部分主要描述实现数字SPWM波形的参数设置以及控制算法的程序实现。论文最后基于TMS320F2812控制芯片搭建了一台单相逆变器试验样机,通过实验波形验证了文中提出的复合控制方案的合理可行性。

关键词：单相逆变器双闭环PI控制重复控制 DSP

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基于滑模变结构控制的单相逆变器的研究

基于滑模变结构控制的单相逆变器的研究

作者：周翔杭州电子科技大学

学位级别：硕士

本世纪提倡使用清洁能源,随着世界能源消耗的急剧上升,利用新能源解决用电需求增加而供电能力不足、人们生活环境污染日益严重等问题受到世界各国科学家的青睐,于是人们开始意识到研究可再生能源并网发电技术的重要意义。在将可再生能... 详细信息

本世纪提倡使用清洁能源,随着世界能源消耗的急剧上升,利用新能源解决用电需求增加而供电能力不足、人们生活环境污染日益严重等问题受到世界各国科学家的青睐,于是人们开始意识到研究可再生能源并网发电技术的重要意义。在将可再生能源转化为电能的过程中,作为核心环节的逆变器成为了研究人员的关注点。当前对逆变器的研究主要是控制算法和拓扑结构上的设计,提高系统稳定性和逆变后电能的质量。本文以电压源单相全桥逆变器为研究对象,采用双闭环控制结构并以电压环设计为主,设计了两种针对干扰进行优化的滑模控制器,用于改善逆变器的输出性能。对逆变器工作原理进行了研究和分析,以此为基础建立了简单的数学模型。简单介绍了滑模基本控制原理的推理过程后,根据逆变器的数学模型先设计了普通的滑模控制器同时进行系统稳定性证明推导,与采用PID算法控制的实验结果进行对比分析。结果分析表明滑模控制器提高了逆变器系统的动态性能和鲁棒性能。为进一步降低抖振对系统的影响和输出电压波形的总谐波失真率(THD),结合干扰观测器以及神经网络算法对控制器做改善。其中,干扰观测器是对系统干扰的一种估计方法,在控制中引入等效的补偿,不需要对干扰信号建立准确的数学模型;而神经网络可对任意非线性函数进行很好地拟合,有效减少系统未知干扰带来的影响。神经网络分别采用RBF网络和极限学习机,对逆变器二阶动态方程中的干扰项进行逼近,并设计自适应律使网络权重自动校正。为验证优化后的滑模控制器的性能,与PID控制器和普通滑模控制器作对比实验并对结果进行分析。实验结果表明在线性与非线性负载下,系统输出电压THD最大值分别为2.24%和3.88%,所设计的滑模自适应控制器可提高输出电压波形质量和系统动态响应性能,减小抖振以及干扰对系统的影响。

关键词：单相逆变器滑模变结构控制双闭环控制 RBF神经网络极限学习机

基于GaN器件的单相逆变器数字控制技术研究

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基于GaN器件的单相逆变器数字控制技术研究

作者：林茜哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着社会的发展,人们对逆变器提出了更多的要求。传统的模拟控制有控制方式单一、调试繁琐、硬件成本高等缺点。微处理器ARM的出现及其价格的降低使数字控制成为逆变器控制的主流。新型器件的出现对电力电子发展具有十分重大的意义。相... 详细信息

随着社会的发展,人们对逆变器提出了更多的要求。传统的模拟控制有控制方式单一、调试繁琐、硬件成本高等缺点。微处理器ARM的出现及其价格的降低使数字控制成为逆变器控制的主流。新型器件的出现对电力电子发展具有十分重大的意义。相对于传统的MOSFET、IGBT等器件,氮化镓器件以其高频高效低损耗的优点得到广泛关注。本文根据双环控制的原则,电流环在静止坐标系被设计为比例控制器并对电流环的耦合进行解耦。针对电压环,采用了在两种不同坐标系的PI控制策略并进行比较分析。证明静止坐标系下的PI双环控制在基波频率处存在明显的相位误差和幅值误差,因此增加幅值环对幅值误差进行补偿,针对相位误差,采用电容电流前馈进行补偿。通过一系列的推导,将在dq坐标系下PI控制等效为静止坐标系下的比例谐振(PR)控制且控制器在基波频率处有很大的幅值增益,因此可以确保在基波频率处有零阶稳态误差且对正弦波进行很好地跟踪。逆变器为工业和生活等很多用电场合提供交流电源,但其谐波失真度必须很低才能投入使用,谐波对用电设备和电网将造成很大的危害和损失。具有非线性负载特性的电力电子设备是导致单相逆变器波形畸变产生的主要原因。由非线性负载引起的高次谐波在输出阻抗上产生压降,因此输出阻抗是评估输出电压失真影响的有效标准。减小电压失真度可以直接采取相应的控制策略减小逆变器的输出阻抗。引入重复控制对周期性的高次谐波进行控制,并对重复控制与电压环在两种坐标系下PI控制的稳定性关系进行分析。负载电流前馈控制在负载变化时可以获得快速动态响应,同时,可以减小逆变器的输出阻抗。通过这种复合的控制策略减小高次谐波在输出阻抗上的压降,降低输出电压的谐波含量。最后本文对以上所提的控制策略进行仿真,并将连续域内设计的控制器离散化。设计基于数字控制器STM32F405为核心的系统,在此基础上,搭建一台基于GaN设备的实验样机。最终仿真与实验波形的一致性证明了所提控制策略的有效性,也突显了新型GaN器件在逆变器应用的优越性能。

关键词： GaN器件单相逆变器 PI 重复控制负载电流前馈

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独立型单相逆变器短路故障穿越控制策略研究

独立型单相逆变器短路故障穿越控制策略研究

作者：李宗林华中科技大学

学位级别：硕士

独立型单相逆变器因其供电质量高在飞机、舰船等无法与大电网相连的领域具有广泛的应用。然而用电侧由于线路破损或老化等因素可能发生各种短路故障,导致输出电流大幅抬升,该故障电流有可能损坏开关器件,从而使逆变器无法正常供电。针... 详细信息

独立型单相逆变器因其供电质量高在飞机、舰船等无法与大电网相连的领域具有广泛的应用。然而用电侧由于线路破损或老化等因素可能发生各种短路故障,导致输出电流大幅抬升,该故障电流有可能损坏开关器件,从而使逆变器无法正常供电。针对负载侧短路故障穿越的问题,本文进行了详细的研究,主要研究内容如下:首先,概述了逆变器的系统配置,提出了正常工况和故障工况的总体控制策略。在正常工况下,采用前馈控制与反馈控制相结合的复合控制策略,该控制策略使逆变器在空载、半载、满载工况下输出电压波形质量较高;在短路故障工况下,采用双环切换的故障穿越控制策略,该控制策略包括故障时的限流控制及故障切除后的电压恢复控制,限流控制及电压恢复控制将在后文详细介绍。其次,针对负载侧短路限流控制的问题,提出了硬件限流与软件限流相结合的控制方法,使逆变器在各种短路故障条件下均可实现快速限流。该控制方法的硬件限流以滞环电路为核心,软件限流采用短路阻抗自适应前馈的控制策略,可以在短路故障期间迅速限制短路电流,保护功率半导体器件,解决了传统软件限流控制在高阻短路条件下调节时间过长的问题,仿真结果表明该方法在高阻短路和金属性短路条件下均能够迅速限制短路电流在安全范围内。然后,针对故障切除后由输出电压恢复引起的变压器励磁涌流的问题,提出了相应的抑制策略,实现了对励磁涌流的有效抑制。首先详细分析了变压器励磁涌流的产生机理,其次依据故障发生时刻的相位角修正了故障恢复时逆变器重构电压的相位角,使变压器原边电压产生的暂态磁通与变压器的剩余磁通相互抵消,然后在此基础上提出变压器偏磁反馈控制策略,极大减小了励磁涌流幅值,明显加快了励磁涌流衰减速度,最后在仿真中验证了该抑制策略的有效性。最后,根据技术要求设计了变压器、LC滤波器等主电路元件的参数,并搭建了35 k VA单相逆变器实验样机,对上述控制策略进行实验验证。实验结果显示逆变器在空载、半载和满载工况下的总谐波畸变率均低于2%,在负载突变时输出电压超调小于±10%,调节时间小于60 ms;在发生高阻短路或金属性短路时,输出电流可以在一个周波内达到指令值;在故障切除后,变压器励磁涌流幅值被抑制为未采用此方法时的10%以下,证实了上述控制策略的可行性与有效性。

关键词：单相逆变器短路限流金属性短路高阻短路励磁涌流抑制

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单相逆变器多环反馈控制器的设计与实现

机械设计与制造工程 2019年第11期48卷 53-56页

作者：文灵乌鲁木齐职业大学应用工程学院

针对弱电网接入下单相逆变器多环控制器缺少反馈过程导致动态稳定性差的问题,设计了弱电网接入下单相逆变器多环反馈控制器。控制器包括滤波器和单相逆变器两部分,通过对单相逆变器电压幅值的调制,使控制器单相逆变器电源输出整流负载... 详细信息

针对弱电网接入下单相逆变器多环控制器缺少反馈过程导致动态稳定性差的问题,设计了弱电网接入下单相逆变器多环反馈控制器。控制器包括滤波器和单相逆变器两部分,通过对单相逆变器电压幅值的调制,使控制器单相逆变器电源输出整流负载电压与控制目标电压一致,采用信号反馈法,反馈内环电流和外环电压极点,根据反馈值,做出动态响应;在数字域中进行弱电网接入下单相逆变器多环反馈控制器的设计。仿真实验结果表明,所设计控制器动态稳定性强,不同大小弱电网电压接入下控制器的时延值均较小,适用于弱电网接入下单相逆变器的控制。

关键词：弱电网单相逆变器多环反馈控制器时延动态稳定性