電力電子控制策略

電力電子控制策略第1頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第四部分電力電子控制策略6SouthChinaUniversityofTechnology第2頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月本節(jié)主要參考書(shū)目☆JaiP.Agrawal，《PowerElectronicsSystems》，清華大學(xué)出版社，2001.08☆UniversityofColoradoatBoulder，《FundamentalsofPowerElectronics》，2001.05☆李?lèi)?ài)文，《現(xiàn)代逆變技術(shù)及其應(yīng)用》，科學(xué)出版社，2000.09第3頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1概述第4頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月散熱封裝生產(chǎn)環(huán)境影響控制策略無(wú)源器件功率開(kāi)關(guān)器件變換電路電力電子技術(shù)電子學(xué)電力學(xué)控制理論電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——控制策略在電力電子中的地位第5頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.2反饋控制第6頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——一般意義的控制系統(tǒng)控制器被控對(duì)象控制量被控量給定值r(t)u(t)y(t)測(cè)量元件偏差e(t)＋－第7頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略—電力電子電路的控制系統(tǒng)模型第8頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——BUCK電路的控制模型第9頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——BUCK電路的控制模型第10頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——BUCK電路的控制模型第11頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：1、上升時(shí)間tr2、調(diào)整時(shí)間ts3、超調(diào)量σ%

快速性平穩(wěn)性電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——時(shí)域性能指標(biāo)靜態(tài)性能指標(biāo)（穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)）：穩(wěn)態(tài)誤差第12頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——系統(tǒng)穩(wěn)定的條件、頻域特性★要求：當(dāng)系統(tǒng)受到有界的擾動(dòng)時(shí)，其輸出也是有界的。★系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件：特征方程特征方程的各項(xiàng)系數(shù)不為零；特征方程的各項(xiàng)系數(shù)符號(hào)都相同.開(kāi)環(huán)伯特圖L(ω)=0時(shí)，Ψ(ω)不到－180o，則穩(wěn)定；反之不穩(wěn)定。穿越頻率幅值裕度相位裕度第13頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1要控制穩(wěn)態(tài)誤差的量，就是要保證系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)態(tài)精度；2要保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，就是控制超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間等；3要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，合理設(shè)計(jì)穿越頻率、頻帶和穩(wěn)定裕量等。第14頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——系統(tǒng)頻率特性的分段設(shè)計(jì)注意三個(gè)方面：1低頻段高增益，K足夠大，L（ω）足夠高，斜率要大；提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能2中頻段－20dB/dec為宜，相位裕度大；ωc要大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，但要小于開(kāi)關(guān)頻率；中頻段要足夠?qū)挘辔辉６却蟆?高頻段主要考慮提高系統(tǒng)的抗干擾能力，盡量隨著ω增大而迅速減小。第15頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——主要環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)控制器時(shí)間比例控制器及脈沖形成環(huán)節(jié)反饋環(huán)節(jié)第16頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——校正環(huán)節(jié)如果逆變系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)組合起來(lái)的傳遞函數(shù)的伯特圖不能滿足要求也可以在系統(tǒng)中施加適當(dāng)?shù)男Ｕh(huán)節(jié)，如串聯(lián)校正、反饋校正、前置（饋）校正和干擾補(bǔ)償（順饋校正）等。串聯(lián)校正和反饋校正都可以不同程度的改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，又可以抑止干擾信號(hào)，對(duì)控制質(zhì)量較高的電力電子系統(tǒng)可采用。第17頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——常用校正環(huán)節(jié)前饋校正和順饋校正屬于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)相結(jié)合的校正，這兩種校正增加了系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益，又能保證系統(tǒng)穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用與高精度的電力電子系統(tǒng)。第18頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——無(wú)源校正電路第19頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——控制調(diào)節(jié)器又叫誤差放大器，或者補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)第20頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——時(shí)間比例以及脈沖形成環(huán)節(jié)1PFM方式2PWM方式PWM基本電路以及工作波形第21頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流型PWM第22頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流內(nèi)環(huán)第23頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電壓外環(huán)濾波網(wǎng)絡(luò)EA假設(shè)為比例放大器電壓外環(huán)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)第24頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流斜坡補(bǔ)償m1、m2為電感電流上升/下降率的等效值。第25頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流斜坡補(bǔ)償m1為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間電感電流上升率的等效值。m2為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間電感電流下降率的等效值。★當(dāng)負(fù)載或者輸入電壓變化時(shí)，都會(huì)造成電流的變化，當(dāng)產(chǎn)生擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能否穩(wěn)定取決于其對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)是否收斂。當(dāng)D小于0.5時(shí)，如果有一擾動(dòng)Δi,經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，電感電流的變化量Δil<Δi,所以系統(tǒng)收斂，穩(wěn)定。當(dāng)D大于0.5時(shí)，如果有一擾動(dòng)Δi,經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后，電感電流的變化量Δil>Δi,所以系統(tǒng)發(fā)散，不穩(wěn)定。第26頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流斜坡補(bǔ)償D小于0.5D大于0.5第27頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月解決辦法：對(duì)電感電流的上升斜率進(jìn)行補(bǔ)償，也就是加大等效的m1，實(shí)際上也就是人為的減小占空比，使其等效為小于0.5的穩(wěn)定情況。電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流斜坡補(bǔ)償?shù)?8頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——實(shí)用的補(bǔ)償方法補(bǔ)償Vs補(bǔ)償Vc第29頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——電流型PWM控制的特點(diǎn)（相對(duì)電壓型）123逐個(gè)脈沖控制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)性好；易于實(shí)現(xiàn)限流和過(guò)流保護(hù)；輸出電壓與源無(wú)關(guān)，源效應(yīng)好；4系統(tǒng)為一階，穩(wěn)定性好；5多套系統(tǒng)并聯(lián)，均流效果好；6允許輸入電壓紋波可以比較大，可減小輸入濾波電容。7電流脈沖峰值檢測(cè)和控制，能夠抑止變壓器的偏磁，推挽和全橋電路不需要加偏磁耦合電容8不適合半橋電路。第30頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.3狀態(tài)空間平均和線性化第31頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——問(wèn)題的提出★非線性開(kāi)關(guān)電路★時(shí)變經(jīng)典控制理論★線性★連續(xù)線性化建模狀態(tài)空間平均法？第32頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1976年，R.D.Middlebrook和SlobodanCuk在前人的基礎(chǔ)上提出了狀態(tài)空間平均法，較好的解決了開(kāi)關(guān)變換器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)的分析問(wèn)題，這鐘方法在基本假設(shè)——擾動(dòng)信號(hào)頻率比開(kāi)關(guān)頻率低很多的前提下，列出開(kāi)關(guān)變換器的分段線性狀態(tài)方程，然后經(jīng)過(guò)平均處理，在小信號(hào)線性化的假設(shè)條件下，用線性狀態(tài)方程來(lái)描述電路。這可以應(yīng)用經(jīng)典控制理論中的根軌跡和Bode圖，拉氏變換或Z變換等分析線性系統(tǒng)的基本方法，在頻域內(nèi)分析設(shè)計(jì)系統(tǒng)。電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——狀態(tài)空間平均法第33頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——狀態(tài)空間平均法狀態(tài)向量輸入向量輸出向量（以BOOST電路為例）第34頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——狀態(tài)1（Q導(dǎo)通期間）第35頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——狀態(tài)2（Q截止期間）第36頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——等效平均矩陣第37頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——直流狀態(tài)方程第38頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——穩(wěn)態(tài)等效電路第39頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——小結(jié)斷續(xù)系統(tǒng)連續(xù)系統(tǒng)

矩陣A、B、C為占空比的函數(shù)非線性

不能進(jìn)行拉氏變不能畫(huà)伯特圖狀態(tài)空間平均線性化第40頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化在直流工作點(diǎn)附近，任何非線性系統(tǒng)都可以近似為線性系統(tǒng)，所以，可以將有關(guān)變量的交流分量從直流分量里邊分離出去！假設(shè)交流的幅值都足夠小，任何二次以及二次以上的交流變量項(xiàng)都可以忽略。第41頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——等效電路第42頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化一個(gè)周期的平均電壓第43頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化第44頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化第45頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化第46頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——線性化第47頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——等效電路第48頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4新型控制策略第49頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——傳統(tǒng)方法的限制狀態(tài)空間平均法和動(dòng)態(tài)低頻小信號(hào)模型是精確性和實(shí)用性的良好折中，因此，基于以上控制方法的研究獲得極大的發(fā)展。由于系統(tǒng)的強(qiáng)非線性，這種簡(jiǎn)單模型的適用范圍又受到很大的限制。僅僅通過(guò)傳統(tǒng)的控制方法很難進(jìn)一步提高系統(tǒng)的性能。發(fā)展更精確的非線性模型及其它高性能控制器，其中包含雙線性理論、滑模變結(jié)構(gòu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、模糊控制、神經(jīng)控制等系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求很高，而一些先進(jìn)的控制技術(shù)大多需要計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。？第50頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——模糊控制模糊控制用語(yǔ)言描述和規(guī)則的形式來(lái)直接表達(dá)操作人員、設(shè)計(jì)者和研究員的知覺(jué)和經(jīng)驗(yàn)，在不需要建立模型的情況下直接控制系統(tǒng)，而在傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)變換器的控制中，模型的建立是一個(gè)傳統(tǒng)的難點(diǎn)，因此，模糊控制應(yīng)用在開(kāi)關(guān)變換器的控制系統(tǒng)中，將有明顯的優(yōu)勢(shì)。模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖第51頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——模糊控制算法模糊控制器是以模糊控制算法為核心的，模糊控制算法是根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程和操作人員的經(jīng)驗(yàn)，建立模糊控制規(guī)則表，按照模糊合成推理規(guī)則求出各相應(yīng)的控制決策，再按取最大隸屬度的原則，得到相應(yīng)的控制量，經(jīng)反復(fù)調(diào)試、修改，最后得到模糊控制表。第52頁(yè)，課件共58頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月電力電子技術(shù)第四部分電力電子控制策略——模糊控制的硬件實(shí)現(xiàn)