《控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编 _ 10-三相电压型PWM整流器的建模与非线性控制--郭-1稿-100325》由会员分享，可在线阅读，更多相关《控制系统数字仿真与CAD 第3版 教学课件 ppt 作者 张晓华 主编 _ 10-三相电压型PWM整流器的建模与非线性控制--郭-1稿-100325（76页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、三相电压型PWM整流器 建模与非线性控制,张晓华 教授 EMAIL： 2010年春,研究背景及意义 PWM整流器的建模（基尔霍夫定律、拉格朗日方程） PWM整流器的特性分析（欠驱动、非最小相位） PWM整流器的高功率因数控制,目 录,PID控制/滑模变结构控制,2/76,电力电子变流装置的使用越来越多,发达国家已有60%的电能经变换后使用 而这个数字在本世纪初叶将达到95%,变流装置的普及能够极大的提高电能利用率,电力电子变流装置已在 各行业得到了广泛应用,研究背景及意义,为电网带来严重的“污染”,非线性负载,传统 电力电子装置,铁芯电抗器 异步电机 变压器,可控硅整流器 电解电源 电力机车
2、,谐波,无功功率,污染,研究背景及意义,4/76,电网“污染”的危害,研究背景及意义,5/76,电网“污染”的危害 大庆油田杏北开发区曾连续出现6kV侧电压互感器烧毁现象, 分析是谐波污染导致。 首钢日电电子有限公司对损失进行过估算，称如果由于电网污染问题造成了生产工艺流程中断、设备停机，则每次的损失约200-300万人民币。 据美国电力科学研究院估计，当今和电能质量相关的问题，在美国每年造成的损失高达260亿美元。,谐波和无功功率 已成为当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”,治理污染 刻不容缓！,研究背景及意义,6/76,治理谐波和无功功率的重点 整流器是大多数电力电子装置的前端电路，注
3、入电网的谐波和无功功率的大小主要取决于整流器。 1992年日本发表了一项关于谐波源的调查报告，发现在被调查的谐波源中，整流器的比例占89%。,整流器的谐波抑制和功率因数提高问题 是治理电网污染的重点！,研究背景及意义,7/76,二极管整流电路 电容滤波,可控硅整流电路 电阻负载，相角30度,PWM整流器 整流状态,研究背景及意义,8/76,电流型,电压型,结构简单、效率高、 体积小、重量轻,研究对象：三相电压型PWM整流器,研究背景及意义,9/76,PWM整流器应用,有源电力滤波器,统一潮流控制器,绿色能源,有源电力滤波器 拓扑结构图,统一潮流控制器 拓扑结构图,风力发电系统 拓扑结构图,研究
4、背景及意义,10/76,研究背景及意义 PWM整流器的建模（基尔霍夫定律、拉格朗日方程） PWM整流器的特性分析（欠驱动、非最小相位） PWM整流器的高功率因数控制,目录,PID控制/滑模变结构控制,11/76,基尔霍夫定律,分析力学原理,模型验证： 所建模型 是否一致？,基尔霍夫电压定律 基尔霍夫电流定律,三相电压型PWM整流器,PWM整流器的建模,两种建模方案：,12/76,定义开关函数,PWM整流器的建模,基于基尔霍夫定律的PWM整流器建模：,根据基尔霍夫电压定律，对网侧三相回路有,对输出直流电压正极节点有,13/76,考虑三相对称，有 以 为状态变量得到的模型为,PWM整流器的建模,1
5、4/76,PWM整流器的建模,基于拉格朗日方程的PWM整流器建模,分析力学是理论力学的一个分支，它通过选择广义坐标作为描述质点系运动的变量，运用数学分析的方法，从系统能量的观点研究宏观现象中的力学问题。其中，拉格朗日方程是分析力学理论的重要基石之一。 分析力学常用于复杂机械系统的建模中。,系统动能，例如,系统势能，例如,耗散能量，例如系统摩擦.,15/76,PWM整流器的建模,牛顿力学:,拉格朗日方程：,知识回顾,16/76,PWM整流器的建模,基于拉格朗日方程的PWM整流器建模：,力学与电学物理量的对应关系,拉格朗日方程：,17/76,PWM整流器的建模,基于拉格朗日方程的PWM整流器建模,
6、选择广义坐标,设交流侧三个电感的电荷量分别为,直流侧电容电荷量为,为系统广义坐标。,三者存在 约束关系,18/76,PWM整流器的建模,基于拉格朗日方程的PWM整流器建模,计算系统能量函数,系统磁场能量为,系统电场能量为,系统耗散能量函数为,19/76,PWM整流器的建模,基于拉格朗日方程的PWM整流器建模,建立PWM整流器数学模型,由拉格朗日方程,整理可得PWM整流器数学模型,与基尔霍夫定律建模方法所得结果完全一致！,20/76,PWM整流器的建模,两种建模方法的比较与分析,基尔霍夫定律和拉格朗日方程两种建模方法所得结果完全一致，间接证明了所建模型的正确性； 基尔霍夫电压/电流定律从电路细节
7、处着眼，严格依赖于电力电子变换器的拓扑结构，原理简洁；但是，不适用于复杂系统的建模； 拉格朗日方程建模方法则从系统全局能量着眼，具有物理概念清晰、系统性强、适用于复杂电力电子系统建模，以及便于从能量观点设计非线性控制器等优点。,21/76,PWM整流器的建模,PWM整流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型,在上述所得三相PWM整流器的数学模型中，三相电压、电流均为交流量，不利于控制系统设计。因此，需要通过坐标变换将其变为直流量，即进行“abc/dq坐标变换” 。 三相abc静止坐标系到两相dq同步旋转坐标系的“等功率”坐标变换矩阵为,22/76,PWM整流器的建模,PWM整流器在dq同步旋转坐标
8、系下的数学模型,由三相静止坐标系下PWM整流器模型方程,令,23/76,PWM整流器的建模,PWM整流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型,将下列关系代入系统方程,得到,24/76,根据三角函数关系计算可得,将其代入前式,即得到PWM整流器dq坐标系下的数学模型,PWM整流器的建模,PWM整流器在dq同步旋转坐标系下的数学模型,25/76,研究背景及意义 PWM整流器的建模（基尔霍夫定律和拉格朗日方程） PWM整流器的特性分析（欠驱动和非最小相位） PWM整流器的高功率因数控制,目录,PID控制和滑模变结构控制,26/76,PWM整流器的欠驱动特性,欠驱动系统 独立控制变量数目少于系统自由度的系
9、统。,欠驱动：独立控制变量少于系统的自由度。 自由度：力学系统中广义坐标的数目。 广义坐标：确定力学系统位置的独立变量。,PWM整流器的欠驱动特性,27/76,控制输入数小于系统自由度 系统都是欠驱动的！,机械系统（Acrobot）：,电力电子变换器：,PWM整流器的欠驱动特性,28/76,PWM整流器的欠驱动特性,状态空间形式的数学模型：,PWM整流器欠驱动特性的分析,29/76,PWM整流器欠驱动特性的分析,系统自由度为3,PWM整流器的欠驱动特性,30/76,PWM整流器欠驱动特性的分析,矩阵秩为2,PWM整流器的欠驱动特性,欠驱动！,31/76,PWM整流器的欠驱动特性,欠驱动特性的研
10、究意义,明晰了PWM整流器中真正起控制作用的变量，简化了控制器设计过程； “欠驱动系统理论”可以应用于电力电子变换器的控制器设计中。,非最小相位特性的概念 非最小相位系统，是指系统开环传递函数中含有不稳定环节或延迟环节的系统。,PWM整流器的非最小相位特性,“最小相位”与“非最小相位”示意图,33/76,PWM整流器的非最小相位特性 动态响应和电压负调之间存在矛盾,PWM整流器的非最小相位特性,负调现象,34/76,PWM整流器的非最小相位特性,建立PWM整流器的小信号模型,目的：推导传递函数，研究非最小相位特性,方法：将模型中各变量等效为稳态值和扰动值之和的形式,将上述变量代入到dq坐标系下
11、PWM整流器模型方程中,35/76,PWM整流器的非最小相位特性,建立PWM整流器的小信号模型,由于稳态时 ，并对方程进行拉氏变换，可得,“控制输入-直流电压输出” 传递函数,“控制输入-d轴电流输出” 传递函数,36/76,分析： 传递函数的零点在s平面左半平面 控制输入对于d轴电流输出是最小相位的,符号 关系,PWM整流器的非最小相位特性,“控制输入-d轴电流输出” 传递函数：,37/76,分析： 占空比增大，输出电压先减小后增大 稳态下（ ）非最小相位系统 零初始态（ ）最小相位系统,符号 关系,PWM整流器的非最小相位特性,“控制输入-直流电压输出” 传递函数：,38/76,PWM整流
12、器的非最小相位特性,负调现象,无负调现象,局部放大,局部放大,稳态运行,启动运行,39/76,PWM整流器的非最小相位特性,负调现象,产生的现象,拓扑结构,这种“负调”现象可以直观解释为：在控制量变化的初始时刻，系统电感储能要增大，短时间内减少了送往电容的能量，从而导致电容电压在初始时刻减小。,40/76,PWM整流器的非最小相位特性,非最小相位特性的研究意义,可分析出“负调现象”产生的根本原因。 确定了PWM整流器控制系统的结构，不能对直流电压进行直接控制，需采用间接控制手段。,三相电压型PWM整流器控制系统结构,41/76,Boost,Buck-Boost,Buck,正激变换器,非最小相位
13、系统,最小相位系统,PWM整流器的非最小相位特性,知识拓展其它电力电子变换器的非最小相位特性，供感兴趣的同学课下研究。,42/76,研究背景及意义 PWM整流器的建模（基尔霍夫定律和拉格朗日方程） PWM整流器的特性分析（欠驱动和非最小相位） PWM整流器的高功率因数控制,目录,PID控制和滑模变结构控制,43/76,三相电压型PWM整流器控制系统结构,在dq同步旋转坐标系下，PWM整流器的数学模型为：,电流方程,设计电流 内环控制器,设计电压 外环控制器,电压方程,PWM整流器的双闭环PID控制,基于双闭环PID控制的PWM整流器高功率因数控制,在dq同步旋转坐标系中,PWM整流器的数学模型
14、可以描述为,式中,由上式可以看出，由于整流器d,q轴变量相互耦合，因而给控制器设计造成一定困难.,PWM整流器的双闭环PID控制,45/76,为此，可采用前馈解耦控制策略，当电流调节器采用PI调节器时， 的表达式如下：,式中,进而可得:,电流内环控制器的设计：,PWM整流器的双闭环PID控制,PWM整流器高功率因数控制,进而实现了电流内环的解耦控制.由于两电流内环具有对称性,因此以 为例讨论电流内环调节器的设计.,考虑电流内环信号采样的延迟和PWM控制的小惯性特性,已解耦的 电流内环结构如下图所示.,为电流内环电流采样周期（即为PWM开关周期）. 为三相桥PWM等效增益. 为简化分析，暂不考虑
15、 的扰动.,电流内环控制器的设计：,按典型I型系统设计电流内环调节器-较好的跟随性能,将两个小时间常数 合并,以便于按照“典型I型系统”设计电流内环控制器，得到电流内环系统结构图如下所示.,得电流内环开环传递函数,令 ，以抵消被控对象传递函数极点。,PWM整流器的双闭环PID控制,48/76,按典型I型系统设计电流内环调节器-较好的跟随性能,由典型I型系统参数整定关系，当取系统阻尼比,可得,进而可获得电流内环PI控制器参数,比例系数,积分系数,PWM整流器的双闭环PID控制,49/76,按典型I型系统设计电流内环调节器-较好的跟随性能,进一步可得电流内环闭环传递函数为,当开关频率足够高，即 足够小时，由于 项系数远小于 项系数，因此 项可以忽略，则电流内环闭环传递函数可以进一步简化成,上式表明,当电流内环按典型I型系统设计时，其可近似等效成一个一阶惯性环节，其惯性时间常数为 。显然当开关频率足够高时，电流内环具有较快的动态响应速度.,PWM整流器的双闭环PID控制,50/76,由前述电流闭环传递函数及关系式,电压外环控制系统结构,按典型II型系统设计电压外环调节器-较好的抗扰性能,可得PWM整流器电压外环控制系统结构图如下所示,简化后的电压
