基于滑模控制的Buck-boost矩阵变换器的建模与仿真的设计与实现.doc

湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题目基于滑模控的Buck-Boost矩阵变换器的建模与仿真作者学院专业电气工程及其自动化学号指导教师二九年六月五日湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书潇湘 学院 电气工程 系（教研室）系（教研室）主任:（签名）年 月 日学生姓名: 学号: 0554010618 专业: 电气工程及其自动化 1 设计（论文）题目及专题： 基于滑模控制的Buck-boost矩阵变换器的建模与仿真 2 学生设计（论文）时间： 自 2 月 16 日开始至 6 月 15 日止3 设计（论文）所用资源和参考资料： 田宏奇.滑模控制理论及其应用M. 武汉：武汉出版社，1995. 有关Buck-boost矩阵变换器的电路结构与基本工作原理方面的期刊资料。 有关滑模控制策略应用于DC-DC变换器的期刊资料。 刘叔军，盖晓华等. MATLAB7.0控制系统应用与实例M. 北京：机械工业出版社，20064 设计（论文）完成的主要内容： 熟悉Buck-Boost矩阵变换器的基本工作原理，针对其拓扑结构可分为整流级和逆变级 两部分且这两部分可单独控制的特点，其整流级采用无零矢量的空间矢量调制策略，逆变 级采用滑模控制策略进行控制。研究Buck-Boost矩阵变换器基于上述两种控制策略的具 体设计方法，采用MATLAB构建相应的仿真模型对其控制效果进行仿真验证，并通过调 整控制参数使系统具有良好的动态和稳态性能以及满足输出波形的总谐波失真度在2%左 右的指标要求。 5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求： 提交 ： （1）论文打印件与电子版 （2）仿真模型 6 发题时间： 2009 年 2 月 15 日指导教师： （签名）学 生： （签名）湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人： （签名）年 月 日 指导人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人： （签名）年 月 日 评阅人评定成绩： 湖 南 科 技 大 学毕业设计（论文）答辩记录日期： 学生： 学号： 班级： 题目： 提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：1 设计（论文）说明书共页2 设计（论文）图 纸共页3 指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语：主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任： （签名）委员： （签名）（签名）（签名）（签名） 答辩成绩： 总评成绩： 湖南科技大学本科生毕业设计（论文）摘 要矩阵变换器是一种具有简单拓扑结构和一系列理想特性的“绿色变频器”，是一项可从根本上消除电力谐波污染和电网无功损耗的关键技术。本文旨在研究目前影响矩阵变换器实用化的关键基础问题电压传输比低的问题。针对矩阵变换器电压传输比低这一问题，一些学者和专家提出了一系列控制策略，提高了矩阵变换器的电压传输比，使其接近于1.0，但均存在输出谐波含量过高的缺点，不利于应用。针对上述情况，本文从改变矩阵变换器主电路拓扑结构出发，针对一种新型的Buck-Boost矩阵变换器主电路拓扑结构进行研究，该拓扑结构采用AC-DC-AC两级变换的结构形式，其整流级为一个三相/两相的矩阵变换器，逆变级则采用Buck-Boost逆变器的结构形式。通过对该拓扑结构及其等效电路的研究，确定了主电路方案及电路参数；借鉴目前矩阵变换器、斩波逆变器已有的理论成果，研究了适合于该新型电路的有效控制策略：即整流级采用无零矢量的空间矢量调制策略，逆变级采用滑模变结构控制策略；构建了仿真模型，对该主电路拓扑与控制策略的有效性和可行性进行验证；仿真结果表明：该新型矩阵变换器能实现输出电压和频率的任意调节，其电压传输比既可大于1，也可小于1，从而有效解决了传统矩阵变换器电压传输比低的难题，具有较好的应用价值。关键词：Buck-Boost矩阵变换器；电压传输比；滑模控制；仿真AbstrsctMatrix Converter(MC) is a kind of “green converter” with simple topology and a series of ideal characteristics, and a key technique to eliminate power harmonic pollution and grid inefficacy power waste basically. In this paper the problem of MCs low voltage transfer ratio is studied which is the key basic problem baffling MC application. Though some researchers and experts proposed a series of control strategies to increase MC transfer ratio to 1.0, its output harmonic components was too high to be good for application. Contraposing to above problem, this paper proposes novel MC topologies based on matrix rectifier and chop inverter in terms of varying MC main circuit topology, which are similar to conventional AC-DC-AC MC without energy storage elements in middle DC link. Its rectifier stages are the same as conventional MC which are 3/2 phase MC, while inverter stages adapt Buck-Boost construct. Main circuit schemes and parameters are fixed on through researching its topologies and equivalent circuits. Based on present theoretical harvest of MC and chop inverters, effective control strategies suitable for these novel circuits are studied, such as slide mode control, discrete slide mode control and double loop control. The variety relationship between main characteristics such as voltage transfer ratio, output waveform total harmonic distortion and circuit and control parameters is summed up. The validity and feasibility of the topology and control strategies are tested by simulation. The results indicate that this novel family MCs can regulate voltage transfer ratio and output frequency optionally,the voltage transfer ratio can be greater than 1,or lower than 1.So the puzzle of the matrix converters with low voltage transfer retio is solved effectively by this study,which is of certain practical importance.Keywords: buck-boost matrix converter; voltage transfer ratio; sliding mode control; simulationII湖南科技大学本科生毕业设计（论文）目 录第一章 绪 论11.1 概述11.2 矩阵变换器的研究现状11.3 论文的主要内容2第二章 Buck-Boost矩阵变换器的拓扑结构与基本工作原理32.1 Buck-Boost矩阵变换器的拓扑结构32.2 Buck-Boost矩阵变换器的基本工作原理4第三章 Buck-Boost矩阵变换器的控制策略研究63.1 无零矢量的空间调制策略63.2 滑模控制策略83.2.1 滑模控制的基本原理83.2.2 滑模控制系统的基本特性113.2.3 滑模控制器的设计143.3 Buck-Boost小信号建模与开环稳定性分析183.4 滑模控制参数推导203.4.1 滑模控制系数的计算213.4.2 滑模控制系数的计算21第四章 Buck-Boost矩阵变换器的仿真研究234.1 Matlab简介234.2 Buck-Boost矩阵变换器的仿真模型的建立234.3 Buck-Boost矩阵变换器的仿真波形254.3.1 稳态运行仿真波形254.3.2 动态运行仿真波形264.4 Buck-Boost矩阵变换器的仿真分析27第五章 结 论29参 考 文 献30致 谢31湖南科技大学本科生毕业设计（论文）第一章 绪 论1.1 概述随着微电子技术和电力电子技术的迅猛发展，各种电力变换器在国民经济建设及各种工业领域中得到了越来越广泛的应用，与此同时也给电力系统带来了谐波污染和低功率因素等负面影响，尽管可装设补偿装置来防治电力污染，但由于其代价高、实现难，故不能治本。而新型的矩阵变换器的出现，给从根本上防治“电力公害”带来了新的希望。同传统的电力变换器相比，矩阵变换器具有简单的拓扑结构，并且能够提供正弦的PWM输出电压和输入电流、输入功率因数可控、无需中间储能元件等优点1, 2，因此矩阵变换器已经成为电力电子领域的研究热点。1.2 矩阵变换器的研究现状自1976年来，各国学者对矩阵变换器进行了许多富有成效的研究，其理论和控制技术得到了飞速的发展。矩阵变换器 (Matrix Converter，MC)是采用9个双向开关构成的矩阵形拓扑结构，是一种单级AC/AC变换器，同现在的电力变换器相比，它具有能够提供正弦的PWM输出电压和输入电流、输入功率因数可控、能量传输可逆、无需大的储能元件等优点。但是，到目前为止，MC的研究仍然停留在实验阶段，而不能在工业中推广应用，原因在于：其控制策略太复杂，计算工作繁重；为实现安全换，通常采用四步换流法，增加了控制的难度，降低了系统的可靠性；开关数量众多，系统成本过高。此外，还有一个主要原因就是电压传输比低，它是制约矩阵变换器在诸如电力传动等领域应用的一个重要因素。以往，国内外对于矩阵变换器的研究重点往往在调制策略和开关模式等方面，对其拓扑结构的研究和相关文章较少。本文从改变矩阵变换器主电路拓扑结构出发，针对一种新型的称为Buck-Boost矩阵变换器(Buck-Boost Matrix Converter，BBMC)的电路拓扑结构进行研究，该结构可有效克服传统矩阵变换器电压传输比低的缺陷。文中对这种新型拓扑结构做了说明，对其工作原理与采用的控制策略做了分析。这种新型矩阵变换器拓扑结构采用AC-DC-AC双级变换的结构形式，不仅功能上可和MC相媲美，而且可克服MC存在的电压传输比低的难题，是一种很有发展潜力的矩阵变换器，主要体现在： 具有优良的输入输出性能、输入功率因数固定、能量传输可逆、直流环节无需储能元件，结构紧凑； 电网侧开关可实现零电流换流，负载侧开关采用传统DC/AC逆变器换流方法，系统换流简单，降低了控制复杂性，提高了系统的可靠性； 在一定约束条件下，可以减少功率开关元件的数量； 逆变器可以利用成熟的空间矢量调制方法，进一步简化了控制。这种拓扑结构可实现输出电压和频率的任意调节，具有较高的电压传输比，从而有效解决了矩阵变换器电压传输比低的问题；最后通过Matlab对其有效性与可行性进行了仿真验证。结果表明：该拓扑结构可实现输出电压和频率的任意调节，其电压传输比既可大于1.0、也可小于1.0，从而有效解决了传统矩阵变换器电压传输比低的难题。1.3 论文的主要内容本文从改变矩阵变换器主电路拓扑结构出发，针对一种新型的称为Buck-Boost矩阵变换器的主电路拓扑结构进行研究，该结构可有效克服传统矩阵变换器电压传输比低的缺陷。文中对这种新型拓扑结构作了说明，对其工作原理与采用的控制策略做了分析，并通过Matlab对其有效性与可行性进行了仿真验证。结果表明：该拓扑结构可实现输出电压和频率的任意调节，其电压传输比既可大于1.0，也可小于1.0，从而有效解决了传统矩阵变换器电压传输比低的难题。第二章 Buck-Boost矩阵变换器的 拓扑结构与基本工作原理Buck-Boost新型矩阵变换器的整流级为一个3/2相矩阵变换器，它将三相交流整流成PWM调制的直流电压；逆变级则采用三相Buck-Boost逆变器的结构形式，它由三个电流可双向流动的Buck-Boost DC-DC变换器组成，其主要特点是通过调节占空比可实现交流输出电压的任意调节，即其交流输出电压既可高于、也可低于其直流输入电压，三相负载采用Y型连接3。2.1 Buck-Boost矩阵变换器的拓扑结构Buck-Boost矩阵变换器的拓扑结构如图2.1所示。该结构和常规交直交矩阵变换器的拓扑结构相似，也采用AC-DC-AC两级变换器的结构形式。其整流级和常规交直交矩阵变换器的整流级相同，为一个3/2相矩阵变换器，它将三相交流整流成PWM调制的直流电压；逆变级则采用三相Buck-Boost逆变器的结构形式，它由三个电流可双向流动的Buck-Boost DC-DC变换器组成，其主要特点是通过调节占空比可实现交流输出电压的任意调节，即其交流输出电压既可高于、也可低于其直流输入电压，三相负载采用Y型连接。图2.1 三相Buck-Boost电路拓扑结构电路图在实际应用中，每相Buck-Boost变换器的参考电压设置为具有相同直流偏置的正弦信号，且其正弦信号的幅值和频率相同，相位差互为120。由于在负载两端得到的直流电压具有相同量值而相互抵消，因而在三相负载上得到的就是三相对称的正弦交流电压，下面简述其基本工作原理。2.2 Buck-Boost矩阵变换器的基本工作原理 设输入三相电源电压为 (2.1) 输出三相电流为 (2.2)其中：为输入输出角频率，为电流初始相位角，、分别为输入电压和输出电流幅值。若Buck-Boost矩阵变换器的整流级采用无零矢量的空间矢量调制策略，则在保证单位输入功率因数的条件下，在一个PWM开关周期内整流输出电压的局部平均值为4, 5 (2.3)其中=max(|，|，|)逆变部分为三相Buck-Boost逆变器，对于每相Buck-Boost DC-DC变换器(以第一相为例，其它两相相同)，利用局部平均值的概念，可得其输出输入电压关系式为： (2.4)式中：为变换器输出电压，即电容C1两端的电压；d为占空比，0d1。由于电压为具有直流偏置的正弦电压，如图2.3所示，可设，其中表示的直流分量，表示的正弦分量，表示的正弦分量的峰峰值。则有: (2.5)由于0，对于图2.3，为简化分析，可取=0，则=，因而可得: (2.6)由式(2.4)(2.6)，可得单相Buck-Boost变换器交流输出电压相对于其直流输入的增益为: (2.7)式中：将(2.3)式代入(2.7)式，得BBMC交流输出相电压相对于其输入相电压幅值的增益为: (2.8) 图2.3 单相Buck-Boost变换器输出电压波形可见在输入电压固定的情况下，通过调节占空比，即可调节输出电压，达到改变电压传输比的目的。第三章 Buck-Boost矩阵变换器的控制策略研究如第二章所述，BBMC的整流部分采用无零矢量的空间矢量调制策略；而逆变部分属变结构系统，本文采用滑模控制策略进行控制，取得了较好的效果。下面简述其基本工作原理。3.1 无零矢量的空间调制策略BBMC的整流部分采用无零矢量的空间调制策略，即整流级在一个PWM周期内只产生2个有效空间矢量，而不会出现零矢量的调制策略，以获得最大的整流电压输出6, 7。双向开关整流器的调制目的之一是要在直流侧输出极性为正的直流电压，并获得最大的电压利用率。为此，把输入相电压的周期分成6个区间，如图3.1所示，每个区间具有相同的特点：一相电压绝对值为最大，另两相电压极性同它相反。图3.1 六区间的划分设三相输入电源电压如式(2.1)所示，其三相相电压波形如图3.1所示。上图中将一个周期均匀地划分为6个区间，其划分原则是：每个区间内三相电压极性保持不变，其中一相电压具有正或负的最大幅值。将每个PWM开关周期t，分为两段，为了获得最大输出电压和减小开关损耗，在每个区间内将具有最大幅值的一相输入电压固定于直流正极p或负极n，而将另两相电压在两段时间内分别接于直流负极n或正极p，以获得最大整流输出电压。因此，整流级在一个PWM开关周期内只产生两个有效空间矢量,而不会出现零矢量。把每个PWM调制周期分成两段，并分别在两段时间内将相应的两个最大且极性为正的线电压由直流侧输出，因此，整流级在一个PWM周期内只产生两个有效空间矢量，而不会出现零矢量。以第1区间为例说明：此时ua为正且绝对值最大，ub、uc极性为负，则在一个PWM周期的第1个时间段内使Sapp、Sapn、Sbnp、Sbnn导通，此时直流电压为线电压uab=ua-ub；在第2个时间段使Sapp、Sapn、Scnp、Scnn导通，此时直流电压等于线电压uac=ua-uc。依此类推，可以得到其他5个区间各时间段内的开关状态和对应的直流电压，如下表所示。表2.1 各开关状态和对应的直流电压区间第一时间段第二时间段导通的开关直流电压导通的开关直流电压1Sbnp,Sbnn Sapn,SappuabScnp,Scnn Sapn,Sappuac2Sbpp,Sbpn Scnp,ScnnubcSapp,Sapn Scnp,Scnnuac3Scnp,Scnn Sbpn,SbppubcSanp,Sann Sbpn,Sbppuba4Scpp,Scpn Sanp,SannucaSbpp,Sbpn Sanp,Sannuba5Sanp,San Scpn,ScppucaSbnp,Sbnn Scpn,Scppucb6Sapp,Sapn Sbnp,SbnnuabScpp,Scpn Sbnp,Sbnnucb双向开关整流器的调制目的之二是要使输入电流矢量跟随输入电压矢量按正弦规律变化，维持固定为1的输入功率因数。以第1区间为例，a相始终连到直流正极p，b相和c相按照开关状态交替接到直流n极。在一个PWM周期内，局部直流平均电流为一恒值，三相输入电流局部平均值为、 、分别为输出直流电压、对应两个时间段的占空比，且： (3.1)则 (3.2)要实现输入电流矢量为正弦量，且输入功率因数、则应使每相输入电流的大小在任意时刻与其同一相电压成正比关系。因此，在一个PWM周期内，应该保证各相输入电流局部平均值与相应输入相电压值成正比即：， (3.3)在三相输入电压平衡(+=0)的条件下，可以推导出 (3.4) (3.5)一个PWM 周期内的局部平均直流电压为： (3.6)将式(3.4)、(3.5)代入式(3.6)，可得 (3.7)、分别为直流电压、在一个PWM周期内占用的时间，为调制周期，则=，+= (3.8)按照同样的方法，可以得到其它区间的开关状态和相应的占空比，各PWM周期内的局部平均直流电压为： (3.9)其中，cos()=max(|cos|，|cos()|，cos()3.2 滑模控制策略8-11当今，在变结构控制系统之中，滑模控制系统已成了一套比较完整的理论体系，并已广泛地应用于各种工业控制对象之中。这种滑模控制系统的系统的最大特点就是系统具有很强的鲁棒性，即对被控对象的模型误差、对象参数的变化以及外部干扰有极佳的不敏感性。现在，作为非线性系统中的鲁棒控制理论代表滑模控制理论已与线性系统中的中的控制理论一样，在工程界得到广泛深入的研究，并不断地取得性的理论和实验中的结果。滑模控制具有如下优点。 一旦系统相点达到切换面后，系统运行方式只决定于切换面方程，与系统原来的参数有较大的变化，只要切换面是可达的，则都可以实现滑模控制； 可以实现对任一连续变化的输入信号的跟踪； 控制系统较双环结构控制方式简单； 计算工作量较之双环结构控制方式要小一些； 运行速度快。但也存在如下不足： 为实现滑模控制要取得系统的全部状态变量，这对于高阶系统来说是很困难的； 滑模控制容易产生高频颤动，这种颤动会使系统很难维持长时间的正常工作； 启动性能差，系统有超调，快速性不够。3.2.1 滑模控制的基本原理12, 13设二阶系统： (3.10)其中反馈增益为： (3.11)式中定义为：Sx，S=0.5x+y (3.12)闭环系统的结构图如下，若要使式(3.12)中的函数成立为零，则有下面两种情况：或 (3.13)图3.2 闭环系统的结构图上述两个函数在相平面上将函数分成为不同的区域。在此，我们可以将式(4)称为切换线，将函数称为切换函数。如果随着相空间维数的增加，这种切换线将变成为切换面，若超过三维空间，就将变成在几何图形上无法表达的超平面。此时，系统的反馈增益根据式(3.11)所定义的函数的符号进行切换。因此，可以将由式(3.10)和式(3.11)所构成的系统在相平面上分解为两个不同的领域进行分析。领域一，当时，系统为： (3.14)领域二，当时，系统为： (3.15)式(3.14)的平衡点在原点为不稳定焦点，而式(3.15)的原点为鞍点，也是不稳定点。式(3.10)、(3.11)所描述的系统在相空间的动特性可以分别由式(3.14)所给出的轨迹(领域一)以及式(3.15)的轨迹(领域二)来确定，为了讨论系统在相平面的特性，有必要研究系统在函数0时的轨迹。首先看直线，很明显，在直线上的点都是稳定点，没有急剧的变化。其次，对切换线 (3.16)则不难证实系统状态都沿着式(3.10)、(3.11)的相平面轨迹趋向切换线。因此，这些点将沿着切换线S滑动，病受其约束，直至滑向原点。求解式(3.16)所示的微分方程，可得： (3.17)上式表明滑动运动是按指数稳定的，且沿趋向原点。这里所述的在切换线上的状态想原点的滑动，就称为滑模运动。从上述例子中可以看出，相平面上两个完全不相同的非稳定系统，可以通过滑模控制，在相平面上产生一个新的稳定系统。在一般情况下，我们可以将滑模运动分解为两个部分，第一部分为达到模态，即非滑模运动。这个模态表示从相平面上任意点出发的状态轨迹向切线方向运动，并在有限时间内到达该切换线。第二部分就是滑模运动，它表明系统轨迹将沿着由式(3.16)所给定切换线在相平面上渐进趋向原点。由上述的滑模控制系统，我们可以得到以下四个基本特征：(1) 相平面上的原点表示系统的平衡状态，而滑模运动则表示系统的过渡期间的特性，也就是说，直线S定义了在滑模运动中系统的过渡响应；(2) 在滑模运动过程中，式(3.16)所示的系统轨迹运动方程的阶次低于式(3-10)所示的原系统方程的阶次；(3) 在滑模运动过程中，直线S的参数唯一确定了轨迹的动特性；(4) 由式(3.14)和式(3.15)所定义的两个不同结构的系统，对滑模运动都存在着独立的轨迹。在上述系统的控制过程中我们可以看到，系统对象式(3.10)可由式(3.14)所示的一种控制结构切换到有式(3.14)所示的另一种控制结构之中，这就是所谓的变结构控制系统。但在这里，这种变结构控制系统是通过滑模运动方式来实现结构变换的，所以为了突出滑模运动的作用，就称这种控制系统为滑模控制系统。由此可知，滑模控制系统是变结构控制系统中的一种特定系统，下面我们将上述结果推广到一般的线性系统中，来讨论滑模控制系统的设计问题。设一般线性时变系统为： (3.18)其中，,对此系统我们有： 存在着m个切换函数以向量形式组成函数簇。 此时的滑模控制结构为： (3.19)对上述要求，如果系统满足达到条件，则系统满足达到条件，则系统状态可在有限时间内达到集合。为了实现上述控制要求，我们需要如下的设计过程：(1) 根据所需的系统动特性设计一个切换平面簇，而该切换平面簇的维数要低于给定的控制对象。(2) 设计一个滑动控制律，使在切换超平面之外任意点之处的状态x在有限的时间之内达到该切换超平面。一旦状态到达切换超平面，则根据过程(1)所设定的动态特性产生滑模运动。在这种情况下，整个滑模控制系统将是全局渐进稳定系统。3.2.2 滑模控制系统的基本特性我们现在详细讨论线性滑模控制的一些主要特征，其中包括滑模的存在条件，滑模运动的等价控制，滑模系统的鲁棒性，系统的滑模领域以及滑模控制的切换频率。这些基本特征在线性系统的滑模控制理论与分析中是十分重要的。(1) 滑动模态的存在条件滑动模态的存在条件可以分为以下两种；存在条件1(局部条件)：对于和 (i=0,1,2,m)的线性系统，如果满足下列条件： (i=0,1,2,m) (3.20)则在切换超平面附近领域存在滑模运动。由单输入二阶系统可以看出系统在切换线附近满足局部存在条件，即在的两侧，控制输入进行切换产生滑动模态。但是，上述条件不能保证系统状态在有限的时间内到达切换平面。存在条件2(全局条件)：考虑以下李亚普诺夫函数： (3.21)其中，上式的微分若满足下列条件： (3.22)则在切换平面的附近区域产生滑动模态。但需要说明的是，系统状态仅达到单个切换面。将不会产生滑动模态。只有当：即状态在各切换面的交线之中收敛时，才会产生滑模运动。若要满足更强的达到要求，则需：