基于大信号模型的高精度波形控制策略的研究

在以加速器电源、并网逆变器为代表的采用波形控制的电力电子装置中，由于开关频率对控制环响应速度的限制，通过高开环增益达到高精度波形跟踪与保持系统稳定之间存在矛盾。针对这一问题，本项目提出采用逆模型计算出控制量，并与反馈控制相结合构成控制系统的新思路。本项目研究内容包括：建立控制对象的大信号模型，建立其半数值半解析的逆模型，构建逆模型与反馈控制相结合的控制算法等。还将采用VerilogHDL在以FPGA为核心的数字控制器中实现新的控制算法，并在实际的加速器电源和光伏并网逆变器上进行测试与验证。本项目的思路有别于现有波形控制策略中以提高闭环跟踪快速性为主的指导思想，能够解决高增益与稳定性之间的矛盾，是波形控制策略的新探索。逆模型的建立将采用数值解与解析解相结合的方法，是建立逆模型的新方法。本项目研究将对电力电子装置波形控制技术理论和技术进步起到推动作用。

本项目在电力电子变换器的高精度跟踪控制系统的建模和控制策略方面开展了深入的研究。.历经4年时间，对国内外电力电子电路的控制建模及控制策略等方面进行了广泛的调研，发现在开关电路接近开关频率的高频段动态模型、含非线性对象的系统稳定性判据、以及能够提升控制快速性和跟踪精度的高性能控制策略等方面，国内外的研究尚有空白。.针对这些研究机会，本项目对以加速器磁铁电源和大功率光伏并网逆变器等典型的电力电子装置作为为主要对象，对高精度数字PWM控制系统中影响控制精度的关键因素进行了分析，建立了含量化和采样过程的高精度PWM控制系统模型；在此基础上，提出了基于多谐振滑模面的非线性控制策略，与传统的PI或PI+PR线性控制策略相比，在控制快速性、跟踪精度和稳定性方面都有了显著提高；分析了含非线性的控制系统的稳定域，并提出一种采用非线性动力学方法判定稳定性及稳定域的方法，更够更为准确的判断PWM逆变器控制系统的稳定域边界；应用以上理论成果，解决了加速器磁铁电源、大功率光伏逆变器等装置的高精度电流控制难题，使加速器磁铁电源跟踪25Hz正弦信号的精度达到0.1%，以上稳定度达到20ppm，并且正在研制跟踪精度更高、稳定度达到10ppm的高精度数字控制系统,从而可以显著提高加速器束流的精度；应用所研制的控制方法的光伏并网逆变器在电网电压存在畸变的情况下，并网电流谐波含量仍然低于1%，可以显著降低并网电流的谐波含量，并解决光伏电站在轻载时谐波含量较大的问题。.本项目还以柔性直流输电换流阀用MMC变流器的控制系统为研究对象，建立了复杂PWM开关电路的动态模型，并研究了基于模型预测控制的电流控制算法。此外，还对具有较强非线性的无线电能传输系统进行的研究，建立了控制系统的动态模型，并提出了最优效率点跟踪控制方式，使无线电能传输系统在不同的负载和耦合条件下均能保持最佳的效率工作点。.在本项目的研究过程中，培养博士2名、硕士5名，还有3名博士研究生和5名硕士研究生在读。发表SCI收录文章6篇，其中4篇为IEEE学报，其他EI收录文章12篇。申报发明专利1项。本项目负责人得到包含本项目在内的2项基金项目持续支持，所做工作获2015年度国家科技进步二等奖。