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1、华中科技大学硕士学位论文单相UPS逆变器复合控制策略研究姓名：王伟申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：周永鹏20080605 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 恒压恒频(CVCF)SPWM 逆变器是整个 UPS 电源的核心部件，随着信息技术的快速发展，对逆变器输出性能的可靠性提出了更高要求。为了使逆变电源在各种负载情况下均能输出谐波含量低、稳态精度高、动态性能好的电压波形，发展出了多种波形控制技术。 假设负载为阻性或者把扰动看作输入，分别建立了逆变器的连续状态空间模型和离散状态空间模型，并分析了造成逆变器输出波形畸变的原因，包括死区效应和负载扰动，指出波形
2、控制的必要性。并在 MATLAB/Simulink 和 Saber 环境下建立了协同仿真平台，为以后的分析设计打下基础。 重复控制源于控制理论中的内模原理，是一种基于周期的补偿控制，能够完全消除周期扰动造成的波形畸变，得到高精度的稳态输出波形。但是由于其自身局限性，系统动态性能难以有更大提高。本论文对重复控制器进行了理论的分析和系统的研究，同时也介绍了重复控制器的参数设计一般方法。并着重讨论了重复控制器系统的稳定性、稳态误差以及误差收敛速度，而且给出了系统稳定的一个充分条件。 提出了一种将模糊控制和重复控制相结合的新型复合控制技术。其中模糊控制器用于改善整个系统的动态特性，重复控制器用于改善系
3、统的稳态特性。这两种控制器互为补充、相辅相成，可以使逆变电源系统既能输出高质量的稳态电压波形，同时也具有快速的动态响应。仿真结果论证了本文所提出的复合控制策略的可行性和有效性。 关键词：不间断电源 逆变器 重复控制 模糊控制 复合控制 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract Constant Voltage Constant Frequency (CVCF) SPWM Inverter is the core of the whole Uninterruptible Power System (UPS). With the rapid development of
4、 information technology, the output performances and reliability of inverters are becoming more and more important. To achieve an output voltage with low Total Harmonic Distortion (THD), high stability and fast transient response in various load condition, many waveform correction technologies have
5、been proposed. Assuming the load is resistive or taking the current of load as a disturbance input, continuous state-space model and discrete state-space model of inverter are established. It is analyzed that causing the waveform distortion including dead-time effect and load disturbing. Essentialit
6、y of the waveform correction technology is pointed out. A co-simulation platform is built with the help of MATLAB/Simulink and Saber software, and the platform is the base of farther analysis and simulation. Repetitive control technology is arising from the internal model principle. Its a compensate
7、 control technology based on period time. It can entirety eliminate the distortion of waveform. For the limitation of itself, repetitive control cannot get well transient response. This thesis presents a theoretical analysis and a systematic research on the repetitive control scheme. The parameter d
8、esign method of the repetitive controller is introduced. System stability, steady-state error and error convergence of the repetitive controller system are specially disused, and a sufficient condition for stability is presented. A novel hybrid control strategy based on fuzzy control and repetitive
9、control is proposed. Fuzzy logic controller can improve the dynamic performance of the system and repetitive controller can ensure the steady-state performance of the system. Thus, the two control strategies can coordinate with each other so that the inverter can produce high quality voltage wavefor
10、m and has a fast transient response. The simulation results show that the proposed hybrid control strategy is feasible and effective. Keywords: UPS Inverter Repetitive Control Fuzzy Control Hybrid Control II独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
11、对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“ ”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月
12、 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 电子技术从诞生之日起，就朝两个分支发展：一支是以集成电路为核心，用于信息处理的微电子技术，其发展特点是集成度越来越高，集成规模越来越大，功能越来越全；另一支是以电力电子器件为核心，用于电力处理的电力电子技术，其发展特点是器件越来越多，容量越来越大，性能越来越好。电力电子学是应用于电力领域的电子学，以电力电子器件对电能进行控制和变换为主要内容，是涉及电子、电气和控制三大工程领域的交叉边缘学科。电力电子学的研究内容包括以下几个方面1： (1) 电力电子器件的制造； (2) 电力电子变流方式； (3) 电力电子电路的控制技术。 本文的研
13、究内容是采用重复控制理论和模糊控制理论的 CVCF(恒压恒频)SPWM( 正弦脉宽调制) 逆变器复合控制技术。本章首先介绍了电压型 SPWM 逆变器；其次着重论述了当前的几种波形控制方案并进行对比，在此基础上指出重复控制和模糊控制的优点最后，最后对本论文后续章节内容作一简要介绍。 1.1 SPWM 逆变器 通常我们把将直流电变成交流电的过程叫做逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置叫做逆变器。若按直流电源的性质来分类，逆变器可分为电压型逆变器和电流型逆变器。若按输出端相数分类，逆变器可分为单相逆变器和三相逆变器。其中单相逆变器按结构又可分为半桥逆变器和全桥逆变器。单相半桥逆
14、变电路是所有复杂逆变电路的基本组成单元。 1964 年，德国学者A.Schnung和H.Stemmler根据通讯理论中的调制技术出了脉宽调制变频的思想2。 1975 年， Bristol大学的 S.R.Bower等人对该技术进了成功地应用。实现这种方案的主功率电路简单、控制容易，可以很方便地实现种复杂的控制规律。经过近 40 年的发展，脉宽调制(Pulse Width Modulation，简称 PWM)技术己得到了非常广泛的应用3，成为电力电子领域中最重要的技术之一。 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 S1 S2S3 S4图 1-1 DC-AC 逆变示意图 PWM 逆变器就
15、是利用脉宽调制技术，将直流变换为交流的电力电子装置。它利用一组电子开关实现电能的转换,如图 1-1 所示。当 Sl 与 S4 通，S2 与 S3 断，负载获得正极性的瞬时电压，反之可获得负极性的瞬时电压。如果要获得理想的输出电压，只需对开关过程进行控制。根据采样控制理论可知，冲量( 幅值对时间的积分)相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上，其作用效果基本相同。PWM 技术的理论就是基于“冲量等效”特性。当形状不同但冲量相等的窄脉冲电压激励信号施加于具有惯性的低通滤波器时，输出端得到的电压响应基本相同，其差别仅表现在高频成分上。 SPWM 是在 PWM 的基础上，令一组电压脉冲的能量与正弦波在特定
16、时间间隔内所包含的能量一一对应，从而在滤波器输出端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。理论推导和实际的频谱分析表明， SPWM 脉冲电压具有与理想正弦电压一致的基波分量，而且最低次谐波的频率可以提高到 SPWM 调制频率附近。当开关频率足够高时，利用较小的滤波器就能将谐波消除掉。此外，只需改变 SPWM 脉冲宽度，就可以平滑地调节输出电压的基波幅值。采用 SPWM 技术的逆变器即为 SPWM 逆变器，它在波形质量和控制方面都有很好的性能。 由于具有突出的特性， SPWM 逆变器在电力电子装置中的应用十分广泛，在DC-AC 变换以及间接 AC-AC 变换的场合都用到了 SPWM 逆变器。通常 SPWM 逆变器的应用范围分为运动控制，交流稳定电源和电力系统三
