基于切换系统理论的三相电力电子变换器建模与鲁棒控制方法研究

The performance improvement of the power electronic converters is not only related to its topological structure, but also depends on the combination of modeling and control strategy. Traditional modeling and control methods cannot realize the accurate description of the converter working process and very difficult to comprehensively solve the problems of control parameters are many and hard to select, the model parameter uncertainty or time-varying and the three-phase unbalanced condition. By using the switched system theory, the switched system model of power electronic converters is built and the switching rules are produced directly according to the stability analysis results, where the system is controlled to switch between different subsystems. In this way, the working process of converters can be accurately described and the difficulty of controller design is reduced and the number of control parameters are reduced, it makes possible to comprehensively solve the problems existing in the traditional modeling and control methods. But the present research achievements lack the systemic solutions and analysis results of three-phase power electronic converter switched system modelling and stability analysis and design of switching rules, in addition, there are lack of research results where the circuit parameter uncertainty and three-phase unbalanced condition are comprehensively considered. In this project, from the essence of power electronic converters, the switched system modeling method, stability analysis method and the switching rules design method of three-phase PWM converter are studied, and the high-performance controlling of the three-phase PWM converter is achieved.

电力电子变换器性能的提高，不但与拓扑结构息息相关，并且依赖于建模与控制的相辅相成。传统建模和控制方法，无法实现对于变换器工作过程的精确描述并难以综合解决控制参数多且整定困难问题、模型参数不确定或随工况变化问题和三相不平衡问题。采用切换系统理论对变换器进行建模并通过稳定性分析结论设计切换规则，直接控制系统在不同子系统间切换，能够实现对于变换器工作过程的精确描述并降低了控制器设计的难度和需要调节控制参数的数量，为综合解决上述传统建模和控制方法中存在的问题提供了可能。但目前研究成果缺乏对于三相电力电子变换器切换系统建模、稳定性分析和切换规则设计的系统分析及解决方案，并鲜有综合考虑电路参数不确定及三相不平衡问题的研究成果。本项目从电力电子变换器的工作本质入手，以三相电压型PWM变换器为对象开展切换系统建模、稳定性分析和切换规则优化设计等研究，以实现三相电压型PWM变换器的高性能控制。

电力电子变换器被广泛应用于电能产生和利用的各个环节。然而，传统电力电子变换器线性化建模方法无法实现电力电子变换器工作过程的精确描述。同时，基于传统线性模型的变换器控制方法，仅能保证所建立模型工作点附近的控制效果。当系统存在大信号扰动时，系统可能出现不稳定，甚至混沌状态。特别是三相电力电子变换器中普遍存在的电路参数不确定及电网电压不平衡问题，现有的建模及控制理论无法达到理想的系统控制性能。.针对以上问题，本项目研究了针对三相电力电子变换器的切换系统建模，稳定性分析理论、预测控制及切换控制策略。主要研究内容及取得成果如下：1）提出一种三相电网不平衡条件下三相PWM变换器的电流切换模型建立、稳定性分析及切换控制器设计方法；2）提出一种三相PWM变换器的功率切换模型建立、稳定性分析及切换控制器设计方法; 3）提出一种基于虚拟同步机技术的三相PWM变换器切换模型建立及切换控制方法; 4）提出一种基于改进瞬时功率理论的电网电压不平衡条件下三相PWM变换器鲁棒模型预测控制方法; 5）提出一种电网电压不平衡条件下考虑6功率分量平衡控制的三相PWM变换器鲁棒模型预测控制方法; 6)提出一种针对以光伏最大功率跟踪系统的BOOST变换器的功率控制方法；7)针对以电动汽车充、放电系统提出一种BOOST变换器功率切换控制策略；8）提出一种具有两级软开关变换器的单晶炉加热电源拓扑结构并研究了其在参数不确定条件下的鲁棒控制方法。. 相关研究成果的提出为解决传统基于变换器线性化建模方法的问题与复杂工况下变换器控制性能的提升提供了思路，并可应用于新能源发电，微电网，工业电源，电动汽车等领域。截至目前，项目成果已发表SCI论文2篇，中文核心期刊论文1篇，授权发明专利3项，申请发明专利5项，投稿SCI论文3篇，参与撰写专著1本，培养硕士研究生5名。