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关键词： 再保险   HJB方程   随机波动率   最优控制   有效哈密顿量   摄动分析  

摘要： 本文主要研究了带有随机波动率的多尺度再保险模型在快时间尺度上演化时,一类最优控制问题和解的极限行为.再保险最优投资策略问题是金融数学中一类热门且重要的问题,特别是带有小参数的奇异摄动问题,引起了学者们的广泛关注.由于解决多尺度系统问题时比较复杂,且计算奇异摄动问题时也有较大困难,因此,我们所考虑的解的极限行为及约化模型具有重要意义,它不仅简化了模型的复杂程度,还降低了模型求解时的计算难度.首先,我们应用有效哈密顿量方法,在小参数ε趋于零的情况下,得到最优控制问题解的极限行为,即由动态规划方法确定的HJB方程的唯一粘性解,在紧集上一致收敛于由有效哈密顿量和有效终端条件组成的有效控制系统中HJB方程的唯一粘性解.我们还得到了原问题的约化模型和方便计算的有效哈密顿量显式表达式.其次,我们运用摄动分析方法,给出再保险金融模型中HJB方程粘性解的一致有效的二阶近似解,并建立了原模型的误差修正模型,提高了精度.最后,我们考虑了多个保险公司的随机微分对策模型及最优控制问题.应用有效哈密顿量及迭代方法,我们得到了最优控制问题解的收敛结果和有效HJBI算子的具体表达式,并给出了原金融模型的有效宏观约化模型.

关键词： 功率IGBT模块   有限元分析   测试系统   键合线失效   状态监测  

摘要： IGBT作为电力电子设备中常用的功率半导体器件,在电动汽车、高速列车、新能源发电、工业控制等领域有着广泛的应用。但是,随着使用的开关频率和功率等级越来越高,运行环境越来越复杂,IGBT也成为电力电子设备中故障比例最高的器件。因此,IGBT作为新能源产业链中的关键器件,除了提高器件的性能外,也应该关注其失效情况。在IGBT的失效研究中,可以寻求一种高效准确的IGBT模块状态监测方法,通过及时发现故障模块并对其进行更换,进而使电力电子设备可靠运行。 本文利用有限元仿真分析了功率IGBT模块键合线的失效机理,通过搭建功率IGBT模块特征参量测试系统获取了不同工作条件和不同键合线状态下的特征参量数据,基于测试数据及相关机理构建了功率IGBT模块键合线多参数状态监测模型,最终测试了该模型在监测键合线状态时的总准确率为95.13%,并比较了使用单一特征参量进行监测和使用多个特征参量进行监测的效果,结果表明多个特征参量监测的效果更好。本文的研究内容可以为IGBT模块的可靠性分析和产品设计提供参考。本文的主要工作如下: (1)阐述了功率IGBT模块的结构和工作特性;归纳了IGBT模块的失效类型和失效机理,并对IGBT模块不同失效类型所影响的特征参量进行了总结;最后分析了键合线失效与工作条件对IGBT模块导通压降、米勒平台持续时间和栅极过冲电压的影响,为之后键合线状态监测提供了理论依据。 (2)根据IGBT模块在实际运行过程中的电-热-力多物理场耦合理论以及IGBT模块多物理场耦合的有限元仿真过程,构建了IGBT模块多物理场有限元模型,并通过实验对模型进行了校正。通过该有限元仿真,研究了键合线失效对IGBT芯片表面温度分布和键合线应力分布的影响,从而验证了功率IGBT模块键合线失效的机理,并揭示了键合线失效的演变规律,为之后键合线状态监测时的等级划分提供了参考。 (3)根据设计的测试平台电路,搭建了功率IGBT模块特征参量测试平台,并开发了一款测量软件对测试平台进行仪器控制和数据处理。通过该测试系统,获取了不同工作条件包括母线电压、负载电流和温度以及不同键合线状态包括键合线完好、键合线脱落一根、键合线脱落两根和键合线脱落三根下的特征参量,并进行了结果分析,建立了多参数数据集,为后续IGBT模块键合线状态监测模型提供数据支撑。 (4)根据BP神经网络对数据集进行训练的过程,构建了基于BP神经网络算法的IGBT模块键合线多参数状态监测模型,然后使用所构建的监测模型对训练集数据进行训练,最后使用模型对测试集数据进行预测。结果表明,该监测模型总的预测准确率为95.13%,并且使用多个特征参量对键合线状态进行监测要比使用单一特征参量监测的效果好。

关键词： 部分观测最大值原理   循序可测最优控制   正倒向随机微分方程   随机跳   随机滤波   无穷时域   线性二次控制   Stackelberg均衡   分数阶布朗运动   粗轨道  

摘要： 本篇论文主要研究了部分可观测随机控制问题和Stackelberg微分博弈问题.具体地,在带跳的部分可观测正倒向随机系统的框架下,我们建立了循序可测框架下最优控制的全局最大值原理和无穷时域下贴现最优控制的最大值原理.接着我们研究了 一类线性二次Stackelberg随机微分博弈问题.最后当考虑由分数阶布朗运动驱动的随机系统时,我们得到其全局最大值原理.此外,我们将这些理论结果应用到一些实际应用中,比如最优消费和投资问题以及动态广告问题.在大多数最优控制问题中,通常假定玩家能完全观测到受控随机系统的状态.但是,由于角色的不对称性和信息的延迟,这在现实生活中是不符合实际的.因此我们旨在研究部分可观测系统且将玩家仅可获得部分信息的情况考虑在内.换言之,玩家无法完全观测系统,但可以通过观察一个相关的观测过程来解决此问题.因此研究部分可观测最优控制问题并获得其最大值原理是非常有意义的.当考虑多个玩家的微分博弈问题时,在各种动态博弈问题中的—个典型例子是由Stackelberg引入的Stackelberg(也称为主从)微分博弈,其经济背景来源于某些公司在主导权上比其他公司具有更多优势的市场.该问题通常包括两个带有不对称角色的玩家,一个跟随者和一个领导者.该博弈问题的核心是一个玩家必须在另一个玩家做完决策之后再做出自己相应的决策,即体现出分层的特点.由于其结构和背景极具研究价值,Stackelberg博弈受到了大量的关注.特别地,由于赋予跟随者和领导者的不对称角色正好与他们之间已知的不对称信息这一特点相匹配,所以一个部分可观测的Stackelberg微分博弈非常值得研究,其中受一些实际应用背景的启发,我们给出了另一种更加符合实际的不对称信息设定.除了标准的布朗运动(H=1/2),近些年来,对于带分数阶布朗运动(H∈(0,1)且H≠1/2)的随机系统的研究已经引起了广泛的关注.且该过程已经应用到许多领域中,比如气候学,经济学,互联网流量分析及其金融.但是关于分数阶布朗运动的随机积分通常不是一个半鞅,因此类似于经典的布朗运动中的重要随机分析理论没法直接应用,而这些理论工具对解决最优控制问题并获得最优条件尤为重要.因此,无论是在理论上还是在实际应用中,研究带分数阶布朗运动(特别是H<1/2)的随机系统下的最大值原理都具有非常重要的价值和意义.现在,我们给出如下本文的主要研究内容:论文的第一章分别介绍了本文如下四章中的研究背景,研究前沿以及研究目的,并且给出其主要研究内容,创新点和主要贡献.论文的第二章讨论了在循序可测框架下的带跳的正倒向随机系统的部分观测最优控制问题,其中控制域非凸,且控制变量进入所有系数.在本章模型中,观测方程同时带有布朗运动和泊松随机测度,且与状态方程存在相关噪声.得到了部分观测全局最大值原理.为了给出其应用,通过最大值原理和随机滤波理论,我们研究了对应的部分观测线性二次最优控制问题.通过引入一些常微分方程,给出最优控制更加显示的状态估计反馈表示.论文的第三章研究了无穷时域下带跳的正倒向随机系统的部分观测贴现最优控制问题.控制域是凸集,且引入一类无穷时域观测方程.得到无穷时域带跳的正(倒)向随机微分方程的唯一可解性,且对特别是倒向情况做出更多推广的分析.对于关键的变分不等式的推导,首次给出了一些新的高阶估计并证明.通过引入一些无穷时域伴随方程,其唯一可解性可得到必要保证,从而得到最大值原理,同时给出充分最大值原理.此外,分别给出一个可解的线性二次例子以及解决带有递归效用的最优消费和投资问题.最后,对两类代表性的无穷时域随机系统及其相关最优控制问题进行了比较.论文的第四章关注一类线性二次部分观测Stackelberg随机微分博弈问题,且存在状态和观测之间的相关噪声,其中控制域非凸.领导者和跟随者都有他们各自的观测方程,且领导者知道的信息包含于跟随者的信息中.得到了 Stackelberg均衡点的必要和充分条件.在跟随者问题中,通过正倒向随机微分滤波方程和某些Riccati方程表示出最优控制的状态估计反馈.在领导者问题中,凭借更新过程,通过随机微分滤波方程,半鞍过程及其三个高维的Riccati方程得到最优控制的状态估计反馈.作为一个应用,研究了一个带有不对称信息的动态广告问题,并利用数值模拟阐述了理论结果的有效性和合理性.论文的第五章研究了同时由经典布朗运动和分数阶布朗运动驱动的多维部分观测随机系统的最优控制问题.因为缺少有用的Girsanov转换工具,利用粗轨道理论引入并研究了新的过程,并用其将初始系统转换为一个经典系统.得到了伴随倒向随机微分方程以及最优控制满足的必要条件(最大值原理).论文的第六章对全文进行了总结并对论文中有待解决的问题进行了展望.

关键词： 新能源汽车   感应电机   直接转矩控制   模型预测转矩控制   无差拍预测控制   约束优化算法  

摘要： 新能源车运行环境复杂,对电机控制系统提出了更高要求,如高动态响应、低转矩脉动、低电流谐波及低开关损耗等。感应电机传统直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)难以满足多样化需求。模型预测转矩控制(Model Predictive Torque Control,MPTC)对控制量的控制效果做出预测,动稳态性能良好,易于实现多目标控制,但存在较大优化空间。本文在MPTC基础上,引入无差拍预测控制(Deadbeat Predictive Control,DBPC),根据控制期望预测理想控制量,优化控制系统性能,主要研究工作如下:为满足车用感应电机快速响应需求,在静止两相坐标系下,建立离散控制集的MPTC模型和控制系统。MPTC不涉及响应滞后的转子磁链,直接使用定子侧物理量,并且不存在电流环,遍历电压矢量直接预测转矩和定子磁链,实现更快的动态响应和良好的稳态性能。仿真对比MPTC与传统DTC,从控制性能、权重系数、备选集及单片机实时性验证等方面说明两者的优缺点。针对MPTC的局限性,提出并对比两类改进策略:基于转矩无差拍的最优电压矢量占空比优化策略和转矩无差拍模型预测控制策略。仿真结果表明,改进策略可调节MPTC电压矢量固定不变的占空比,间接增加了备选矢量数目,有效改善电机控制性能。而转矩无差拍模型预测控制策略在优化电机控制性能的同时,精简备选矢量集,减少矢量遍历次数,并消除MPTC成本函数的权重系数,减少待整定参数。单片机实时性验证结果表明,转矩无差拍模型预测控制策略有效降低了算法复杂度。考虑到基于转矩无差拍的MPTC策略仅能调整电压矢量幅值,引入磁链无差拍控制,形成三类转矩和磁链无差拍预测控制策略:基于磁链矢量的无差拍控制,基于电机负载角的无差拍控制以及基于坐标系分量的无差拍控制。仿真结果表明,三种控制策略能预测理想电压矢量,输出任意幅值和相角的电压矢量,大幅提高电机控制性能。单片机实时性验证结果表明,基于坐标系分量的方法在实时性上表现更优。DBPC无法施加约束,易出现电压过调制,常规的过调制处理方法并非最优。因此,基于约束优化算法,提出两种控制策略:将过调制处理问题转化为约束优化问题,基于内点法进行求解;将转矩和磁链无差拍预测控制转化为约束优化问题,严格限制控制量范围,避免出现过调制。考虑到DBPC仅进行单步线性预测,追求单个周期性能最优,牺牲了综合性能,因此,通过成本函数综合评价多个采样周期的无差拍预测偏差,基于序列二次规划进行求解,实现多步预测控制。仿真结果表明,基于约束优化算法的预测控制能解决DBPC不足,有利于进一步提升电机控制性能,并且相较于MPTC,其对权重系数并不敏感,且施加转矩约束不易失控。

关键词： 恒张力   输纱器   磁场定向控制   自抗扰控制   圆纬机  

摘要： 在纺织工艺中,纱线张力是非常重要的参数,其抖动程度直接影响织物面料品质。传统的消极式与积极式输纱器存在着纱线张力波动大、纱线张力及输纱速度不可任意调节等问题,为此,本文深入分析纱线张力的产生机理与影响因素,在此基础上提出一种可为圆纬机输送恒定张力纱线的输纱控制系统。首先,通过对纱线张力进行数学建模,阐明了其形成机理与影响因素,据此提出了纱线恒张力输送控制策略。该系统通过PID控制器对输纱电机速度环进行内闭环控制,通过自抗扰控制器对纱线张力环进行外闭环控制,二者共同构成圆纬机恒张力输纱的内外双闭环控制系统。其中,自抗扰控制器用以获取实时纱线动态指标,并通过一种非线性组合方式对各纱线动态指标进行组合,继而对输纱电机参考转速进行修正,最终,该参考转速通过磁场定向控制器作用于输纱电机,用以调整输纱速度,保证纱线张力维持在设定值附近。其次,确定了恒张力输纱系统的硬件与软件设计方案。硬件层面,以ARM处理器为核心,同时设计了纱线张力信号采样电路、输纱电机全桥驱动电路,根据圆纬机结构特点,设计了CAN通信总线支持圆纬机主控制器与各输纱器间的通讯;软件层面,设计了恒张力输纱内外双闭环控制系统,其中内环采用PID控制器实现输纱电机速度闭环控制,外环采用自抗扰控制器实现纱线张力闭环控制。为降低输纱电机转矩脉动对纱线张力产生影响,设计了磁场定向控制器实现对输纱电机的稳定驱动。根据实际项目需求自定义了CAN总线通信指令格式,并设计了相应的编解码程序。最后,搭建了实验平台测试该输纱系统在多种工况下的张力控制表现。从测试结果来看,该恒张力纱线输送控制系统可为圆纬机输送张力波动小、输纱速度和纱线张力均可任意调节的纱线,其对纱线张力波动以及超调量的控制上都取得了更优秀的成绩,能够满足圆纬机在不同工况下的工艺需要。这对提高圆纬机设备智能化程度,减少面料表面疵点,提升面料弹性均匀度,降低纱线断头率等方面有着重要的促进作用。在高速输纱工况下,由于纱线张力波动较大,对于输送直径较小、抗拉伸能力较弱的纱线,应当针对输纱器储线盘部分作出优化,如纱线缠绕路径、缠绕圈数、储线盘接触面粗糙程度等。

关键词： 永磁同步电机   直接转矩控制   自抗扰控制   滑模控制  

摘要： 永磁同步电机结构简单,生产和维护成本低,可靠性高,具有很高的功率因数,可降低电网损耗并提高能源利用率。随着工业自动化的发展,对永磁同步电机高精度控制的要求越来越高。因此,提升永磁同步电机的控制性能至关重要。直接转矩控制对电机参数依赖少,转矩动态响应快,在永磁同步电机控制中得到了广泛应用。然而,直接转矩控制存在磁链和转矩脉动大,逆变器开关频率不恒定及速度环鲁棒性差的缺点,难以达到永磁同步电机系统的高性能控制要求。为提升永磁同步电机直接转矩的控制性能,本文主要做出以下研究:(1)分析永磁同步电机的结构和特性,建立了自然坐标系、静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型,介绍了直接转矩控制控制理论和工作原理,详细分析了传统直接转矩控制存在的问题,并进行仿真验证。(2)针对直接转矩控制转矩和磁链脉动过大,逆变器开关频率不稳定的问题,采用SVM-DTC策略,通过SVPWM算法和PI控制器提升了传统直接转矩控制方法的控制性能。针对SVM-DTC速度环和转矩环鲁棒性差的问题,设计了基于无参饱和函数的超螺旋滑模速度和转矩控制器。此外,仿真结果验证了该策略可有效提高系统的鲁棒性,减少速度环超调量。(3)为进一步减少超螺旋滑模速度控制器的速度环超调量,提高系统的鲁棒性,引入了自抗扰控制算法。然而,传统自抗扰控制器的可调参数较多,而可调参数较少的线性自抗扰控制器响应速度较慢。针对此问题,设计了超螺旋滑模自抗扰速度控制器,减少了传统自抗扰控制器可调参数的数量,并提高系统响应速度和鲁棒性。经过仿真对比,该策略提高了系统快速性,实现了速度环无超调,并且在突加负载扰动的情况下具有较好的鲁棒性。(4)对所提超螺旋滑模自抗扰速度控制器进行实验验证,搭建了硬件在环实验平台。经过实验,验证了超螺旋滑模自抗扰速度控制器相比于线性自抗扰控制器、滑模控制器和PI控制器具有更强的动态响应能力和鲁棒性。

关键词： 空间矢量脉宽调制   谐波抑制   分段死区补偿   过调制控制   随机开关频率  

摘要： 三相电压型逆变电路以其高效、稳定的特点被广泛应用于各行各业。但其不可避免的谐波成分有着显著的负面影响,如引起电磁干扰和振动、激发人耳可闻电磁噪声、增加系统损耗等。因此,随着人们节能环保意识的提高,大家对降低逆变器噪音、消除谐波污染及提高逆变器性能等愈发关注。 空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)技术因其控制简单、数字化方便、直流电压利用率高等特点,已成为三相电压型逆变电路的重要控制算法。现有SVPWM技术虽然能够减小逆变器输出信号的部分谐波成分,但逆变过程仍存在着三种显著的谐波成分:第一种为调制波频率附近的低频谐波成分,主要受死区效应和过调制区域控制方式的影响;第二种为开关频率及其倍频处的高频谐波成分;第三种为开关频率及其倍频处附近的边频带高频谐波成分。后两者主要受SVPWM算法开关频率固化的影响显著。因此削弱或消除三相电压型逆变电路SVPWM算法的谐波成分是电力电子研究领域的关键问题,具有较大的研究价值和实用意义。 首先,为了减少三相电压型逆变电路SVPWM算法的死区效应影响、降低逆变器低频谐波,本文针对三相电压型逆变电路常见的阻感性负载形式,提出了全负载阻抗角范围的SVPWM死区效应分段补偿策略,利用补偿相对精确的死区效应时间补偿法,制定了分别适用于[0°,30°]和[30°,90°]两个负载阻抗角区间死区效应规律的分段补偿策略,弥补了传统死区效应时间补偿法大都分析阻性负载方案的局限性;另外利用功率因数λ与负载阻抗角φ的转换关系,确定电流极性,避免了传统方案在电流过零点附近检测时产生的检测误差。策略可补偿因死区效应折损的矢量幅值达7%以上;相比传统死区补偿方案,本文提出的区间2死区补偿策略可使相应总谐波畸变(Total Harmonic Distortion,THD)进一步降低约10%以上。策略适用于SVPWM算法的线性调制区,而在过调制Ⅰ区因受限于矢量边界限制补偿效果有所下降,过调制Ⅱ区无补偿效果。 其次,因提高直流电压利用率而采用的SVPWM过调制策略,在过调制Ⅰ区的低频谐波含量相对较少,而过调制Ⅱ区的低频谐波影响相对较大。因此本文提出了基于混沌蚁群算法的SVPWM过调制II区旋转角优化控制策略,利用混沌蚁群算法在路径寻优中的优势,将其运用至SVPWM技术的过调制Ⅱ区旋转角变换的控制过程中,通过数据建模混沌蚁群算法的迭代过程,最终确定了递变改变扇区间的旋转角度来递变改变输出电压矢量幅值的最优方案。另外推导出六扇区内优化后旋转角的变换公式,以及保持角与调制比的对应公式,二者均相对简洁、适用于在线计算。该控制策略运行稳定、可靠,算法控制区间内电信号波形可平滑过渡。相比于传统过调制Ⅱ区旋转角大幅跳变的控制方案,本策略使算法总谐波畸变THD降低约10%以上,低频谐波成分抑制效果显著。 再次,SVPWM算法基本控制策略的开关频率是固定不变的,因此会在开关频率及其整倍数频率附近产生较大的高频谐波成分。本文根据随机开关频率SVPWM控制的基本原理,提出了一种频率优化分布的随机开关频率SVPWM(Frequency Optimized Random Switching Frequency SVPWM,FORSF-SVPWM)控制策略。该策略利用混沌蚁群算法确定FORSF-SVPWM中开关频率分布的最优方案,经理论推导与实验证明,在开关频率范围内以Sigmoid函数曲线形成的频率样本,即采用两侧频率样本分布多于中间区域的方案,可以使原本集中在开关频率及其倍频频率上的能量在整个频率范围内更均匀地分布。相比于频率近似线性、均匀分布的传统随机开关频率SVPWM(Random Switching Frequency SVPWM,RSF-SVPWM)策略,本文提出的FORSF-SVPWM策略使高频谐波幅值进一步降低了20%以上,有效抑制了开关电路中的高频噪声和传导电磁干扰,策略适用于整个SVPWM技术的线性调制和过调制区域。 最后,根据以上死区效应分段补偿、过调制Ⅱ区控制及FORSF-SVPWM三个优化策略的控制特性和适用特点,将三者结合形成SVPWM算法的线性调制区、过调制Ⅰ区、过调制II区的全调制范围内谐波抑制整体优化方案。将传统三相电压型逆变电路SVPWM控制算法和本文提出的各调制区域整体优化策略进行仿真和实验对比分析,验证优化策略对逆变器系统性能提升的有效性。整体优化策略以SVPWM算法为基础,任意环节都不需要改变逆变系统电路的拓扑结构,也不需要增加额外的硬件设备,仅需要通过软件提升SVPWM算法谐波抑制性能,是一种程序上的软优化,对提高逆变器系统输出性能具有重要的实用价值和意义。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   滑模控制   遗传算法   无传感器控制  

摘要： 随着科技水平的不断进步,现代工业化正加速向智能化而发展,新能源领域离不开电机的应用,为了节约资源,保护环境,用新能源汽车代替传统的燃油汽车也在不断地发展,已经是每个国家的重要发展方向了,其中永磁同步电机(PMSM)由于其结构简单,运行可靠,损耗小,效率高等特点,而得到了广泛的传播和应用。本论文以新能源汽车的永磁同步电机为控制对象,深入研究永磁同步电机矢量控制技术和无传感器控制技术,可以提高新能源汽车的安全性、舒适性和稳定性,以下是主要研究内容与成果。(1)永磁同步电机矢量控制系统研究。分析PMSM工作原理,基于坐标变换理论,建立数学模型,引入空间脉宽矢量调制技术,搭建了基于PI控制的永磁同步电机矢量控制仿真模型。为了验证PI控制器的控制性能抗干扰能力,进行了转速和负载的仿真实验分析了PI控制的控制性能。(2)基于滑模控制的永磁同步电机矢量控制策略研究。基于滑模理论,分别设计了指数趋近律滑模控制器和指数幂次趋近律滑模控制器来进行优化和二次优化,遗传算法确定了控制器参数问题,确定了参数参数c、k、q的取值分别为109.9,209.9,205.5,并在Matlab/Simulink上面搭建仿真模型进行仿真实验分析。(3)永磁同步电机无传感器矢量控制策略研究。传统的滑模观测器容易产生转子位置和速度估算不准确和系统抖振的问题,本文对于切换函数进行重新构造,设计了改进型滑摸观测器。在Matlab/Simulink搭建了改进型滑模观测器模型并进行仿真实验分析,改进滑模观测器的转速估计值和实际值的之间的误差明显出现了很大程度的降低,在0.015s后改进后的转速误差稳定在+3r/min,而转子位置误差稳定在0.05rad,验证了改进型滑模观测器对于传统的滑模观测器控制性能具有很大的提高。(4)基于MATLAB和LABVIEW的联合仿真研究。提出一种联合仿真的实验,可以在Labview上面实时看到仿真图像,由于采用UDP同步通讯,进一步缩短了调试时间,提高了系统仿真的效率。

关键词： 双向有源全桥DC-DC变换器   移相控制   最小回流功率控制   直接功率控制  

摘要： 随着社会的快速发展,人类用电需求的不断增加,可再生能源的开发与利用成为当下解决难题的重要途径。双向DC-DC变换器由于能够实现电能的灵活变换、功率密度高、隔离型好等优点,被广泛应用于新能源领域当中。但目前双向DC-DC变换器仍存在回流功率大、软开关范围受限等问题,使得变换器的功率损耗大,因此研究双向DC-DC变换器的控制策略,提高变换器的效率、加快其动态响应速度具有重要的意义。 本文首先分析了双向有源全桥DC-DC变换器(Dual Active Bridge DC-DC control,DAB)的运行原理及特性,从理论上分别阐述了单移相(Single-Phase-Shift,SPS)控制与双重移相(Dual-Phase-Shift,DPS)控制,并对两种控制方式下的各时间段工作模态进行分析,通过对各模态开关管通断过程分析,可推导出传输功率与移相比之间的数学关系,以此分析出DAB变换器的功率特性、回流功率特性和软开关范围。最后通过仿真分析明确双重移相控制下的DAB变换器与单移相控制相比,其调节的灵活性更好。 其次,为了减少DPS控制下的回流功率以及全桥电路中开关管的硬开通损耗,提出了一种DPS控制下最小回流功率的控制策略,该策略通过Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件优化算法得到全功率范围内的最小回流功率方案,实现全桥开关管的软开关特性。同时为提高变换器的动态性能,在双重移相控制下最小回流功率控制策略的基础上结合了直接功率控制方法,以此来提高变换器的动态响应速度。接着通过MATLAB/Simulink平台对提出的优化控制策略进行仿真验证,验证了DAB变换器控制策略在稳态特性与动态特性的同时优化。 最后搭建了基于d SPACE的实物平台;分析了平台搭建中的硬件与软件设计工作,在实验平台上进行了最小回流功率优化方案与直接功率控制策略的实验,实验结果验证了优化控制策略的有效性。 文中图(47)个,表(2)个,参考文献(55)篇。

关键词： 双馈风力发电系统   并网技术   低电压穿越技术   网侧变换器   转子侧变换器   矢量控制  

摘要： 随着以风电为代表的可再生能源发电装机容量快速增加，风电系统并网运行的稳定性和安全性问题愈发凸显。因此，研究如何提升风电机组的并网能力以实现软并网，以及如何在并网后提高风电系统的低电压穿越能力以保证在电网故障情况下风电机组不脱网持续运行，具有重要的理论和实践意义。已有研究大多是通过对单一故障情况进行考虑，忽略了在不同电压故障跌落情况下的普适性，同时难以真正提高系统的故障穿越范围。针对上述问题本文在对双馈风力发电系统并网控制策略研究的基础上，对不同电压故障跌落情况下的低电压穿越能力展开研究，主要工作内容如下:　　首先，在介绍风力发电发展现状、综述双馈风力发电并网技术和低电压穿越技术现状的基础上，搭建了双馈风力发电系统的数学模型，同时对并网的关键——网侧变换器与转子侧变换器的传统矢量控制策略进行分析。　　其次，针对传统矢量控制的缺点，将灰色预测和模糊控制引入双馈风力发电系统并网控制策略中，提出将结合灰色预测和模糊控制的模糊灰色预测控制方法应用于双馈风电机组PI控制器的设计。为了解决控制器参数整定效率低下的问题，提出一种通过种群自适应变异优化的改进粒子群算法对模糊灰色预测PI控制器的参数进行整定和优化的方法。在系统空载并网与负载并网情况下，仿真验证改进控制策略可以有效降低电压波动，具有良好的软并网运行能力。　　最后，针对双馈风力发电机组低电压穿越能力较弱的问题，对双馈风力发电系统在电网故障情况下进行暂态分析。仿真验证改进控制策略可以提高在电压轻度、中度跌落时的低电压穿越能力。在重度故障跌落情况下，提出协调Crowbar保护电路与DC-Buck稳压电路的硬件电路保护措施，并与所提改进控制策略结合进行协同控制。在不同故障类型下进行重度电压跌落仿真实验，结果表明:应用改进协同策略下的双馈风力发电系统可以在不同故障类型以及不同跌落程度下带故障运行，有效拓宽系统可以承受的故障穿越范围，低电压穿越能力得到较大提升。