控制理論在電力電子學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】 電力電子學(xué)作為研究電力電子技術(shù)理論及應(yīng)用的一門科學(xué)正在蓬勃發(fā)展著，它已發(fā)展成為一門多學(xué)科技術(shù)的交叉邊緣學(xué)科，并成為高技術(shù)領(lǐng)域中的一個(gè)技術(shù)范疇。電力電子學(xué)包括電力半導(dǎo)體器件、變流電路、電機(jī)控制、模擬/數(shù)字電子學(xué)、控制理論、微型計(jì)算機(jī)、數(shù)字仿真與CAD等.電力電子學(xué)的應(yīng)用非常廣泛，凡是電能的產(chǎn)生、變換、控制、輸送和存儲(chǔ)等等都離不開(kāi)電力電子技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】 控制理論；電力電子學(xué)

【中圖分類號(hào)】 O231【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A【文章編號(hào)】 1005-1074(2009)04-0186-01

控制理論在電力電子學(xué)中的應(yīng)用可分為兩大類。第一類是控制理論與電力電子學(xué)的某些具體應(yīng)用領(lǐng)域相結(jié)合，如控制理論在機(jī)器人、電力系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)中的應(yīng)用。第二類是控制理論應(yīng)用于提高和改善電力電子電路本身的某些性能。本文綜述了電力電子學(xué)中的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建模及最優(yōu)控制。

1 電力電子拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建模

將控制論用于電力電子電路控制的前提是對(duì)它的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行建模，但是由于電力電子電路的非線性時(shí)變特性和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使得對(duì)它的建模成為一個(gè)十分困難而又沒(méi)能很好解決的問(wèn)題。PWM變流電路具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出電壓波形好，并能擬制或消除諧波的特點(diǎn)，使它在中低頻領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，此外PWM技術(shù)在變換器、逆變器中的應(yīng)用對(duì)近代電力電子技術(shù)、近代交流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展起到了極大的促進(jìn)作用，并成為電力電子學(xué)中一個(gè)非常重要的組成部分。目前對(duì)這類電力電子電路的建模方法有狀態(tài)空間平均法、數(shù)據(jù)采樣建模法、符號(hào)分析法、PWM開(kāi)關(guān)平均法等，但這些方法大都針對(duì)性強(qiáng)，有很大的局限性，如只適用于中低頻電路，或只適用于小信號(hào)電路，以及某個(gè)具體電路或狀態(tài)等.其中，PWM開(kāi)關(guān)平均法的基本思想是將變換器中的PWM開(kāi)關(guān)用平均模型替代，其突出優(yōu)點(diǎn)是避免了小信號(hào)假設(shè)、適用范圍廣，是一種非線性、大信號(hào)平均模型。此外，它另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是用PWM開(kāi)關(guān)平均法建立的模型直接與原變換器電路相對(duì)應(yīng)，僅僅是將開(kāi)關(guān)用相關(guān)模型代替，變換器的所有支路電流、節(jié)點(diǎn)電壓均可以直接用于該模型。因此，利用該方法可以簡(jiǎn)單、方便地建立DC-DC變換器的模型.它的局限性與狀態(tài)平均法一樣，即變換器的開(kāi)關(guān)周期要小于變換器的時(shí)間常數(shù)，該方法能否推廣到諧振開(kāi)關(guān)變換器有待進(jìn)一步的研究和探討。研究一種適用范圍廣、具有普遍意義的統(tǒng)一建模方法具有重大的理論和實(shí)際意義。

目前電力電子拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)建模的趨勢(shì)是統(tǒng)一建模方法的研究。有學(xué)者采用高頻網(wǎng)絡(luò)平均法對(duì)諧振軟開(kāi)關(guān)變流器進(jìn)行統(tǒng)一建模。借助于現(xiàn)代控制論的系統(tǒng)建模方法，對(duì)電力電子拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模研究將是一條有效途徑。

2 最優(yōu)控制在電力電子學(xué)中的應(yīng)用

最優(yōu)控制是在50年代隨著空間技術(shù)的迫切需要而發(fā)展起來(lái)的，它是現(xiàn)代控制理論的重要組成部分之一，也是目前諸多現(xiàn)代控制理論中應(yīng)用最多，最成熟的一個(gè)分支.最優(yōu)控制已成功地應(yīng)用于許多領(lǐng)域，如航空、航天、航海的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組的綜合控制，發(fā)電機(jī)制動(dòng)電阻的最優(yōu)時(shí)間控制等，目前它已開(kāi)始應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的控制。對(duì)一般線性最優(yōu)控制系統(tǒng)可有如下提法，控制系統(tǒng)(t)=A(t)X(t)+B(t)U(t)，X∈n， U∈，A(t)-n×n階矩陣，B(t)-n×r階矩陣。性能指標(biāo)：J=K〔X(tf)，tf〕+∫f0〔L(x(t))，u(t)，t〕dt， tf—終端時(shí)刻，X(tf)—終端狀態(tài)，目標(biāo)集Φ〔X(t f)，tf〕=0.由此最優(yōu)控制問(wèn)題可表述為：求一允許控制U(t)使系統(tǒng)由初始狀態(tài)X(t 0)出發(fā)在時(shí)間間隔〔t0，tf〕內(nèi)，到達(dá)目標(biāo)集Φ〔X(tf)，tf〕=0，并使性能指標(biāo)J為最小.對(duì)最優(yōu)控制求解問(wèn)題主要有變分法和最大值原理兩種方法.如果性能指標(biāo)采用二次型性能指標(biāo)J=∫∞0(X TQX+UTRU)dt (式中R，Q分別為狀態(tài)量與控制量的權(quán)陣)，則最優(yōu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為從黎卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0中解出P陣從而得到最優(yōu)控制律U*=-R-1BT(t)P(t)X(t)的問(wèn)題.對(duì)二次性能指標(biāo)如何選擇權(quán)陣R，Q是較困難的一項(xiàng)工作，如選擇不同的R，Q，那么其最優(yōu)控制則是針對(duì)由該R，Q所確定的性能指標(biāo)而言的。因此，如何恰當(dāng)?shù)剡x擇權(quán)陣R，Q是最優(yōu)控制設(shè)計(jì)中需注意的問(wèn)題。在最優(yōu)控制中代價(jià)函數(shù)的選取直接表明了設(shè)計(jì)者的控制目的。若選時(shí)間，則為時(shí)間最優(yōu)控制；若選動(dòng)態(tài)性能，則為動(dòng)態(tài)性能最優(yōu)控制；若選諧波損耗，則為諧波損耗最優(yōu)控制，所以最優(yōu)控制在電力電子系統(tǒng)中具有很廣闊的應(yīng)用空間。針對(duì)他激式PWM型開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)環(huán)特性不穩(wěn)定的問(wèn)題，采用最優(yōu)控制理論對(duì)他激式PWM型開(kāi)關(guān)電源閉環(huán)特性進(jìn)行校正，從而使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能最佳。“二次型性能指標(biāo)”權(quán)值q與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)σp，ts及阻尼比ζ間的解析關(guān)系，并給出了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源最好閉環(huán)傳遞函數(shù)的方法.實(shí)驗(yàn)研究表明：采用最優(yōu)控制使PWM型開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)獲得了優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能.我們知道，在電力電子系統(tǒng)中存在大量的開(kāi)關(guān)型控制，產(chǎn)生了大量諧波.諧波的存在使得系統(tǒng)效率降低、負(fù)載發(fā)熱、產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)，所以諧波的抑制是一個(gè)重要問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)三相PWM逆變器實(shí)現(xiàn)諧波損耗最優(yōu)控制，大大降低了電機(jī)的諧波損耗。眾所周知，諧振式變換器與傳統(tǒng)PWM變換器比具有很多優(yōu)點(diǎn)，然而由于采用了高頻諧振回路使得諧振變換器工作更加復(fù)雜、控制更加困難.以往主要的控制策略有：Delta調(diào)制、ΣΔM調(diào)制的離散脈沖調(diào)制、最優(yōu)離散脈沖調(diào)制等，這些控制策略各有其優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于要求具有動(dòng)態(tài)品質(zhì)好、電流脈動(dòng)小、對(duì)參數(shù)變化和負(fù)載干擾具不敏感性的應(yīng)用場(chǎng)合，它們都存在某些局限性。為此，提出了一種新型狀態(tài)反饋控制用于改善諧振變換器的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法使系統(tǒng)不僅具有優(yōu)良的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，而且對(duì)系統(tǒng)工作點(diǎn)的變化不敏感。應(yīng)當(dāng)指出，最優(yōu)控制是從精確的數(shù)學(xué)模型計(jì)算出來(lái)的，當(dāng)模型存在偏差將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的性能，使品質(zhì)惡化，因此有必要解決魯棒閉環(huán)算法問(wèn)題。