基于滑模变结构控制的电压型组合式逆变器和电流源逆变器控制技术研究

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1、分类号： TM464 单位代码： 10335 密 级： 学 号： 10310037 博士学位论文 中文论文题目：中文论文题目： 基于滑模变结构控制的电压型组合式 基于滑模变结构控制的电压型组合式 逆变器和电流源逆变器控制技术研究 逆变器和电流源逆变器控制技术研究 英文论文题目：英文论文题目： Research on Control Technique for Voltage Source Combined Inverter and Current Source Inverter Based on Sliding-Mode Control Theory 申请人姓名： 许飞 许飞 指导教师： 何湘

2、宁 教授，马皓 副教授 何湘宁 教授，马皓 副教授 合作导师： 专业名称： 电气工程电气工程 研究方向： 电力电子与电力传动 电力电子与电力传动 所在学院： 电气工程学院 电气工程学院 论文提交日期论文提交日期 2009 年年 3 月月 基于滑模变结构控制的电压型组合式 基于滑模变结构控制的电压型组合式 逆变器和电流源逆变器控制技术研究 逆变器和电流源逆变器控制技术研究 论文作者签名论文作者签名: 指导教师签名指导教师签名: 论文评阅人 1： 评阅人 2： 评阅人 3： 评阅人 4： 评阅人 5： 答辩委员会主席： 钱照明 教授 浙江大学电气工程学院 委员 1： 张仲超 教授 浙江大学电气工程

3、学院 委员 2： 何湘宁 教授 浙江大学电气工程学院 委员 3： 吴为麟 教授 浙江大学电气工程学院 委员 4： 汪雄海 教授 浙江大学电气工程学院 委员 5： 答辩日期： 2009 年 3 月 6 日 Research on Control Technique for Voltage Source Combined Inverter and Current Source Inverter Based on Sliding-Mode Control Theory Authors signature: Supervisors signature: Thesis reviewer 1： Thesi

4、s reviewer 2： Thesis reviewer 3： Thesis reviewer 4： Thesis reviewer 5： Chair： Prof. Qian Zhaoming College of EE (Committee of oral defence) Committeeman 1： Prof. Zhang Zhongchao College of EE Committeeman 2： Prof. He Xiangning College of EE Committeeman 3： Prof. Wu Weilin College of EE Committeeman

5、4： Prof. Wang Xionghai College of EE Committeeman 5： Date of oral defence： Mar. 6th, 2009 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的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。 除了文中特别加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 浙江大学浙江大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书

6、 本学位论文作者完全了解 浙江大学浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学浙江大学 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和传播，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授权书） 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日 致 谢 I 致谢 致谢 光阴似箭，转眼间我在求是园中已经学习和生活了近十个寒暑。在此论文完 成之际，我首先要向我的导师何湘宁教授表示衷心的感谢！何老师渊博的学识、 严谨求实的治学态度、崇高的思想情操、谦和平易

7、近人的品格和为人师表的风范 给我留下了非常深刻的印象，使我受益终身。 同时，特别需要感谢马皓副教授，本论文是在马老师的悉心指导下完成的。 在马老师实验室的近八年时间里， 马老师在学术和生活上都给予我悉心辅导和热 情帮助， 鼓励我学术上创新， 并提供了良好的科研环境。 马老师深厚的学术造诣、 严谨的治学态度、勤奋求实的工作作风、勇于创新的开拓精神极大地感染和影响 着我，使我学到的不仅是电力电子领域的专业知识，更是做学问的认真态度和严 谨作风。在此向马老师致以深深的谢意和尊敬，师恩深重，终身铭记！ 这些年来，与实验室的师兄、师姐、师弟、师妹们朝夕相处，亲如一家，在 科研和生活上， 你们都给予了我很

8、多的关心和帮助。 感谢已经毕业的兄弟姐妹们： 张志学、陈江、应葑蔚、马小林、金亦青、周雯琪、韩思亮、陈铭、毛兴云、付 好名，郎芸萍、李恩、郑孟、蔡拯、王林国、唐剑青、张涛、祁峰、雷彪、吴其 昆、祁丰、刘斌、胡磊、周伟成、贾凌霄、郜俊、张辉、邓嘉、徐晔、李桢、詹 仁雄，感谢你们的热心帮助和鼓励，使我在科研和生活中少走了很多弯路；感谢 张尧、董亮、俞宏霞、严颖怡、孙轩、刁智海、陈雪冰、丁银江、季悦、吕亚东、 阳彩、周博等兄弟姐妹们，正是与你们每日的相处使我感受到实验室良好的学习 氛围和实验室这个大家庭的温暖。 感谢姚刚师兄、李武华师兄、张艳军师兄、胡敏师兄、汪东师兄，与你们的 热情讨论开阔了我的思

9、路，使我获益匪浅。 感谢我的好友们：熊飞、郑崇峰、沈燕群、郦强、梁志刚、樊俊锋、李凯、 朱立弘、门长有、翁延玲、陈潼、杨欢，等等。 感谢我亲爱的父母，你们一直在默默的鼓励着我，给予我物质上和精神上的 巨大支持，论文的完成凝聚了他们的亲情厚望和支持关爱，愿你们永远健康、幸 浙江大学博士学位论文 II 福！感谢我的姐姐、姐夫和弟弟，你们替我分担了照顾父母的重担，使我能够安 心学习，我所取得的每一分成绩，与你们多年来所给予的无私帮助和支持是分不 开的。 最后我要特别感谢我的女友丁晔，感谢她对我生活上的关心和照顾，学业上 的支持、鼓励和鞭策，感谢她的理解和宽容。 感谢所有关心和帮助过我的老师、同学、亲

10、人和朋友。 本论文的工作得到了国家自然科学基金项目 （50777056） 的资助， 谨此致谢。 许飞 许飞 2009 年 2 月于求是园 摘 要 III 摘要 摘要 随着电力电子技术的飞速发展以及用户对电能质量要求的提高， 逆变器在许 多领域的应用越来越广泛，对逆变器的控制性能要求也越来越高。滑模变结构控 制本质上是一类特殊的非线性控制技术，其具有稳定范围宽、动态响应快、对参 数变化和扰动不敏感等优点。从逆变器本身的开关工作特性来说，它正是周期性 的变结构系统，滑模变结构控制策略是对它具有强适用性的控制方式。 论文在总结、归纳现有的逆变器控制技术基础上，围绕逆变器的滑模变结构 控制技术展开研究

11、，提出了几种连续和离散时间系统的滑模变结构控制策略，并 将其分别应用到 Buck 电压型组合式逆变器和电流源逆变器中，取得了比较好的 控制效果。其中，电流源逆变器被应用于继电保护测试仪中，该测试仪是在继电 保护装置投入运行或检修时，对继电保护装置的各项性能指标进行严格的测试， 以保证电力系统的安全稳定运行。 首先，论文提出了一种应用于 Buck 型组合式逆变器的连续三阶滑模变结构 控制策略。在传统的比例微分二阶滑模的基础上，加入了输出电压偏差的积分环 节，使系统本质上消除了稳态误差，同时保证相应的动态性能。文中采用李导数 分别给出了二阶和三阶滑模变结构控制器详细的分析和设计， 与传统的分析和设

12、 计方法相比，该方法使整个过程更加简明、更具系统性。文中采用映射法详细分 析了三阶滑模变结构控制策略的滑模运动和滑模切换区， 给出了其滑模面系数的 具体选取方法。论文分别给出了上述两种控制策略的对比实验，实验结果证明了 分析和设计的正确性。 其次，论文详细讨论了基于三种常用的离散趋近率的滑模变结构控制策略， 在此基础上设计了基于离散变速趋近率的滑模变结构控制策略， 并将其应用到电 流源逆变器系统中， 该控制方法使系统对参数变化和外部扰动具有较好的动态响 应，而且使系统能够渐近稳定于原点。基于电流源逆变器系统的动态模型，论文 给出了该离散滑模变结构控制器的具体设计过程， 同时详细分析设计了该控制

13、器 的离散滑模切换区， 并在此基础上给出了离散滑模面系数和趋近率参数的选取范 围。建立了 Matlab/Simulink 仿真模型以及实验样机，对基于离散等速趋近率和 浙江大学博士学位论文 IV 离散变速趋近率的滑模变结构控制器进行了仿真和实验比较。 为了解决离散变速趋近率动态响应和系统抖振之间的相互影响， 本文进一步 提出了一种新颖的基于衰减变速趋近率的离散滑模变结构控制策略。 该控制方法 既保留了离散变速趋近率的优点，又加快了系统的渐近稳定速度，同时减小了系 统的抖振。论文将该控制策略应用到电流源逆变器系统，分析设计了离散滑模切 换区的范围，同时讨论了该控制器各个系数的选取范围，使系统能够

14、渐近稳定于 原点，且保证该离散滑模变结构控制策略满足滑模条件和收敛条件。仿真和实验 验证了基于离散衰减变速趋近率控制的电流源逆变器系统具有良好的动态性能 以及对外界扰动和参数变化良好的鲁棒性。 然后，论文将状态预测观测器引入离散滑模变结构控制器中，基于离散时间 系统能控性和能观性的基本理论， 提出了基于状态预测观测器的离散滑模变结构 控制策略。该方法利用状态观测器对系统的状态变量进行超前一拍预测，获得超 前一拍控制量，较好地解决了数字控制一拍滞后的问题，从而更好地改善了基于 离散滑模变结构控制的系统动态性能和稳定性。 在电流源逆变器系统离散状态空 间方程的基础上，利用状态反馈极点配置理论，文中详细给出了状态预测观测器 系数矩阵的设计过程。 在实验样机上对文中所提出的控制策略进行了具体的实验 验证，实验结果证明了分析和设计的正确性。 最后，论文将滑模变结构控制和无源性控制相结合，提出了一种新颖的离散 无源性滑模变结构控制策略。 利用无源性控制的控制方法简单、 鲁棒性好等优点， 较好地减小了离散滑模变结构控制系统的抖振。基于动力学能量观点，文中分析 和设计了电流源逆变器系统的欧拉拉