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1、湘潭大学 硕士学位论文 基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究 姓名：令狐文娟 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：邓文浪 20070501 湘潭大学硕士论文 基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究 I 摘 要 双级矩阵变换器(two-stage matrix converter,简称 TSMC)是一种新型矩阵变换 器，它继承了传统矩阵变换器（conventional matrix converter,简称 CMC）的诸多 理想特性，又具有功率开关器件相对较少、箝位电路大大简化、换流简单可靠、 控制算法的复杂性降低等优点。论文介绍了 TSMC 的拓扑结构及其
2、调制策略，并 引入自抗扰控制技术（auto disturbance rejection controller,简称 ADRC）对 TSMC 的输出电压进行了闭环控制。论文的主要工作包括： 介绍了 TSMC 的拓扑结构和开关传递函数、 目前普遍采用的整流级无零矢量 的空间矢量调制策略以及 TSMC 的换流。 针对实际应用中的各种非理想运行条件和扰动对 TSMC 输出电压质量的影 响，论文以 TSMC 逆变级为闭环控制对象，将输入电压扰动转化为逆变级输入侧 直流电压的扰动，提出了一种 TSMC 输出电压瞬时值的反馈闭环控制方法。 由 于TSMC系 统 的 非 线 性 强 耦 合 特 性 ， 传 统
3、 的PID控 制 器 (Proportional-Interal- Derivative)在 TSMC 的闭环控制系统中效果不大理想。 ADRC 是一种基于过程误差来减小误差的非线性鲁棒控制技术，从根本上改进了 经典 PID 所固有的缺陷，在不确定性系统的估计和控制中得到了广泛应用。论文 中利用 dq 变换，建立了同步旋转坐标系上的 TSMC 稳态数学模型，并依此构造 出二阶自抗扰控制器， 对系统模型中的不确定因素和各种扰动进行动态观测和实 时补偿。 为了验证基于 ADRC 的 TSMC 闭环控制策略的优越性，论文分别对采用 ADRC 的闭环控制系统和基于 PID 的闭环控制系统进行了仿真对比
4、。 仿真结果表 明，基于 ADRC 的闭环控制能够使 TSMC 系统对负载突变具有良好的动态响应 性能，在输入输出不平衡等运行条件下也能保证系统的稳态输出性能。与基于经 典 PID 控制技术的仿真结果相比，在同样的扰动情况下其控制性能明显优于 PID 控制。 关键词：双级矩阵变换器；空间矢量调制；自抗扰控制器；PID 控制；闭环控制 湘潭大学硕士论文 基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究 II ABSTRACT Two-stage matrix converter(TSMC)is a novel matrix converter,which developes from conven
5、tional matrix converter(CMC).Besides of adopting many ideal characteristics of CMC,TSMC also has many other merits,such as:fewer power switchings,more simplified clamp circuit,simple and reliable inversion,much simple control strategy,etc. After introducing the topology structure and modulation stra
6、tegy of the TSMC, this paper sets the closed-loop control of the output voltage of TSMC by using the auto-disturbance rejection controller(ADRC) .The main works include: The topology structure and the switching function of the TSMC,the widely employed space vector modulation(SVM) strategy without ze
7、ro vector at rectifier stage and the transrectification of the TSMC were introduced. According to the influences of no-ideal operation conditions and disturbances to the output voltage in applications , this paper raised the methoe of closed-loop control of the instant output voltage ot TSMC.The inv
8、erter stage of TSMC was regarded as controller plant,input disturbances were regarded as DC disturbances. Refering to the non-linearity and strong coupling characteristics of TSMC, the control method of Proportional-Interal- Derivative (PID) doesnt work well in the closed-loop control of TSMC.ADRC i
9、s a nonlinear-robust controller which reduces the errors based on process errors ,it modifies the deficiency of the classical PID method and has been widely used in estimation and control of the uncertainty systems.The steady model of TSMC based on synchronous rotating coordinate(dq coordiate)was co
10、nstructed by dq transformation.A second-order ADRC was set up to obverse and compensate the uncertainties and disturbances of TSMC dynamicly. Two closed loop control models of TSMC based on ADRC and PID were set up to make comparation. The results of simulation indicated that the closed-loop control
11、 of TSMC based on ADRC has good static and dynamic performances,it can ensure the steady state performance of the output under circumstances of unbalanced input and output.Compared to the simulation results of PID controller,the performance of ADRC is obviously better under the same disturbances. Ke
12、ywords: two-stage matrix converter;space vector modulation; closed-loop control ADRC;PID control 湘潭大学硕士论文 基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究 第 1 页 共 64 页 第一章 绪 论 1.1 常规电力变换器 随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，各种电力变换器在国民经济建 设中得到了广泛的应用。以半导体功率器件为核心的交流变频调速以无可抗拒的 势态逐步取代着直流调速，并在产业的各个领域获得广泛应用，创造了巨大的经 济效益和社会效益。在能源紧缺的今天，许多工业发达国家在积极进行
13、新能源开 发，电力变换器成为风力发电、太阳能发电、燃料电池发电、地热潮汐发电系统 中重要的核心装置。更有专家预计：本世纪发达国家将有 90%左右的电力需要经 变换后才能被利用1 ，2，因此，各种电力变换器的应用程度和发展水平已成为衡 量一个国家电气化发展水平的重要标志。 目前，我国广泛使用的传统电力变换器如交交周波变换器、交直交电力变换 器等都存在着不容忽视的缺点： 周波变换器输出频率范围窄， 一般上限为 1/21/3 工频，输入功率因数低，需要大容量的无功补偿装置，整机体积庞大，紧凑性低， 控制复杂；交-直-交电力变换器输入电流含丰富的谐波，输入功率因数较低，大 量电流谐波分量排放流入电网后
14、，对电网造成“谐波污染”，这样一方面产生“二 次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波压降，反过来使电网电压也发生畸变， 另一方面会造成电路故障和变电设备的损坏。由于谐波对电力系统造成的污染， 影响了整个电力系统的电力环境，不仅导致电网电压幅值和频率不能维持恒定， 电压波形发生畸变，并对电力系统本身和用户的各种电气设备造成极大的危害。 抑制电力污染通常采用的方法是通过加入无源 LC 滤波器或有源滤波器来补 偿谐波和无功功率，但这种方法不仅代价高，而且实质上是先污染后治理，因而 不能从根本上解决问题。最积极有效的办法是开发高功率因数和低谐波污染的 “绿色环保”电力变换器，从根本上消除谐波源。这种“理
15、想”的电力变换器应该具 有如下特点： （1） 拓扑结构简单，功率电路紧凑、便于集成化； （2） 输出电压幅值、频率调节范围宽广； （3） 具有正弦的输入输出特性； （4） 在任何负载情况下可实现单位功率因数运行； （5） 能量传输可逆、可以实现四象限运行。 湘潭大学硕士论文 基于自抗扰控制器的双级矩阵变换器的闭环控制研究 第 2 页 共 64 页 1.2 矩阵变换器 矩阵变换器(Matrix Converter,简称 MC )的研究始于 1976 年，但由于当时器 件和微处理器技术水平所限，并未引起广泛关注。随着电力电子技术和微处理器 技术的发展，MC 以其诸多理想特性逐渐成为研究的热点，二十
16、多年的研究表明， MC 具有如下优点1 ，3： （1） 控制自由度大，输出电压可调，输出频率不受输入频率限制； （2） 输入功率因数可调，可超前、可滞后或为 1，不受负载限制； （3） 输入电流正弦，对电网无谐波污染； （4） 能量可双向流动，尤其适合于电机的四象限运行； （5） 无中间直流环节，结构紧凑，体积小，效率高，易于实现集成化和模 块化，特别适合变频器和电机一体化。 这些优点使得 MC 克服了传统电力变换器的不足，成为一种环保型的绿色变 换器。它的研制成功和推广应用，必将大大提高我国治理电力污染的水平，使我 国的电力变换器产品的性能迈上一个新的台阶。矩阵变换器具有广阔的应用前 景，可在如下领域发挥重要作用2： （1）用于转速较低的传动系统：由于 MC 省去中间储能环节，相当于直接 进行交交变换，电压传输比受到一定的限制，其输出频率较高时会出现输出电 压不足的问题，因此在通用的调速范围较高的场合是不太适用的； （2）用于电源产品：在 MC 的调制理论和实现技术较为成熟时，可以进行 ACDC、DCAC、DCDC 变换，与目前的电源产品相比，它有一定优越
