基于Back-to-Back变流器的交流电机PCH控制研究

论文摘要

基于背靠背（Back-to-Back,B2B）变流器的交流调速系统由于具有功率控制灵活、输出谐波含量小、能量双向流动等诸多优点,被广泛用于电机变频调速、电能变换和电力系统等领域。然而,由背靠背四象限变流器与永磁同步电动机（PMSM）组成的交流传动系统是一个高阶、多变量、强耦合、参数时变的复杂性控制系统。在系统调速过程中,传统的控制策略没有完全解决好因为网侧和机侧独立控制、系统参数时变和负载不确定等因素而影响系统综合控制性能问题,使得系统的动态和稳定性能有待提高。针对背靠背交流调速系统控制中的一些不足,交流传动系统的非线性控制方法的研究日趋深入。近年来,基于能量成形和端口受控哈密顿（port-controlled hamiltonian,PCH）方法引起电机控制专家的广泛关注,并取得了一系列研究成果。本文主要采用互联和阻尼配置无源性控制方法,设计出相应的系统运行控制器,从而来实现基于背靠背变流器的四象限PMSM交流传动系统的控制目标。第一,介绍了基于背靠背变流器的四象限PMSM交流传动系统的国内外发展状况,以及系统的主电路,控制电路,控制策略等。第二,阐述了PCH控制的理论基础（无源性、耗散性等）,给出了端口受控耗散哈密顿系统（PCH）的能量成形控制方法,包括基于状态PCH模型控制方法与基于状态误差PCH模型控制方法等,并分析了各种控制方法的优缺点。第三,给出了基于背靠背变流器的四象限PMSM交流传动系统的数学模型,其中,分别介绍了三相静止和两相旋转坐标系下的机侧与网侧变流器的数学模型；在dq坐标系下,建立了背靠背交流传动流系统的速度控制PCH模型。并研究了背靠背交流传动流系统的几种控制策略,包括两侧矢量控制策略、矢量控制与PCH控制独立控制、两侧状态PCH控制、两侧状态误差PCH控制策略。在系统不存在扰动时,利用上述控制方法求取的控制器；电动机存负载转矩扰动时,设计了负载转矩观测器；为了彻底消除稳态误差,引入了PI控制作用,并且分别分析了平衡点的稳定性。第四,采用了SVPWM脉宽调制方式,在Matlab/Simulink环境下搭建了变流系统的仿真模型,并进行了仿真研究。并把几种控制方法进行了相互比较。仿真结果验证PCH控制与状态误差PCH控制下系统的动、静态性能的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的背景和意义
• 1.2 基于背靠背变流器的四象限PMSM传动系统国内外研究动态
• 1.2.1 四象限PMSM传动系统的主电路与控制电路研究
• 1.2.2 四象限PMSM传动系统的控制策略研究
• 1.2.3 四象限PMSM交流传动系统存在的主要问题
• 1.3 能量成形控制的国内外研究现状
• 1.3.1 基于能量成形的无源性控制
• 1.3.2 基于能量成形的端口受控耗散哈密顿控制
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第二章 理论基础
• 2.1 无源性与耗散性
• 2.1.1 无源性
• 2.1.2 耗散性
• 2.1.3 无源性与反馈互联
• 2.2 无源性与能量成形
• 2.3 端口受控耗散哈密顿系统
• 2.3.1 欧拉-拉格朗日方程和哈密顿方程
• 2.3.2 端口受控哈密顿（PCH）系统
• 2.3.3 端口受控耗散哈密顿（PCHD）系统
• 2.4 基于状态PCH模型的能量成形控制原理
• 2.5 基于状态误差PCH模型的能量成形控制原理
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于背靠背变流器的四象限PMSM传动系统的工作原理与数学模型
• 3.1 背靠背变流器的工作原理
• 3.2 背靠背变流器的数学模型
• 3.2.1 网侧变流器在三相静止abc坐标系下的数学模型
• 3.2.2 网侧变流器在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型
• 3.3 机侧变流器及电机的数学模型
• 3.3.1 永磁同步电机在三相静止abc坐标系下的数学模型
• 3.3.2 永磁同步电机在两相静止坐标系下的数学模型
• 3.3.3 永磁同步电机在两相dq同步旋转坐标系下的数学模型
• 3.4 背靠背变流器的PCH模型
• 3.4.1 网侧变流器的PCH模型
• 3.4.2 机侧变流器与PMSM的PCH模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 四象限PMSM交流传动系统的矢量控制与PCH独立控制
• 4.1 四象限PMSM交流传动系统的控制策略
• 4.1.1 网侧变流器的矢量控制
• 4.1.2 机侧变流器及电机的状态PCH控制
• 4.2 系统的整体仿真结果及分析
• 4.3 仿真结果与两侧矢量控制比较
• 4.3.1 四象限PMSM交流传动系统的两侧矢量控制的原理
• 4.3.2 两侧矢量控制系统建模与仿真
• 4.3.3 分析比较
• 第五章 四象限PMSM交流传动系统的两侧状态PCH控制研究
• 5.1 四象限PMSM交流传动系统的控制策略
• 5.1.1 网侧变流器的状态PCH控制研究
• 5.1.2 机侧变流器及电机的状态PCH控制研究
• 5.2 系统的仿真研究与结果分析
• 第六章 四象限PMSM交流传动系统的两侧状态误差PCH控制研究
• 6.1 四象限PMSM交流传动系统的控制策略
• 6.1.1 网侧变流器的状态误差PCH控制研究
• 6.1.2 机侧变流器及电机的状态误差PCH控制研究
• 6.2 系统的仿真研究与结果分析
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢