学术︱基于切换模型的双向AC-DC变换器控制策略
山东大学控制科学与工程学院的研究人员田崇翼、李珂等，在2015年第16期《电工技术学报》上撰文，双向AC-DC变换器作为交直流混合微电网的重要组成部分，对系统的稳定运行和功率的协调分配有着重要作用。本文基于切换系统理论，提出一种双向AC-DC切换控制方法。
该方法首先建立双向AC-DC切换动态模型，选取系统的储能函数作为共同Lyapunov函数。基于此，设计了系统最优切换律并分析了该切换律条件下系统在切换平衡点处的稳定性。为了便于控制器数字化实现，建立了切换系统单步预测模型并对切换策略离散化。仿真和实验结果验证了本文所采用的建模方法和控制策略的有效性。
在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的重视和应用，微电网技术作为分布式电源和电网连接的桥梁和缓冲也成为当前的研究热点[1,2]。目前常用的微网结构有交流微网、直流微网和交直流混合微网[3-6]。
在交直流混合微电网中，通常需要双向AC-DC变换器作为能量接口单元，控制直流和交流母线功率流动，以保证微网功率平衡、维持母线电压稳定并提高系统电能质量。目前多数研究交直流混合微电网的控制文献都采用小信号建模方法来分析双向AD-DC变换器[7-9]，基于状态空间平均的小信号法简单易用，便于稳定性分析以及控制器的设计。
然而，交直流微网中含有大量波动性很强的微源，双向AC-DC变换器工作点需要大范围的突变。小信号平均模型是通过忽略模型中高次项而近似得到，这种近似得到变换器小信号模型的建模方法存在大信号扰动时，系统可能出现不稳定、建模精度不高等诸多问题[10]。
近年来，混杂系统理论和应用的不断进步为电力电子系统建模和控制提供了一种新的工具。文献[11]给出了切换线性自治系统稳定控制条件，提出通过设计切换序列使系统状态趋近于一个稳定切换平衡点。
文献[12]进一步研究线性切换系统稳定切换律的设计问题，并以三种典型的DC-DC变换器进行了实际控制。文献[13]以双向DC-DC变换器为例研究了切换系统的能控性和能观性，文献[14]基于切换理论研究了三相PWM整流器在周期性切换律下的稳定性问题。
文献[15,16]研究了切换模型下的APF控制并取得很好的效果。文献[17]探讨了基于切换理论下开关变换器统一建模问题。采用电力电子混杂系统建模可以直接对系统大信号过程建模，不存在任何近似，得到模型较为精确，因此更能真实反映电力电子系统的实际物理工作过程。
本文基于切换系统理论，首先建立双向AC-DC切换动态模型，然后采用储能函数作为系统Lyapunov函数，以系统能量衰减最快为目标设计了最优切换控制策略。同时为了便于控制器数字化实现，建立了切换系统单步预测模型并对控制策略进行离散化处理。由于直接对系统大信号过程进行建模，本文所得到的模型比较精确，增强了双向AC-DC变换器抗大范围扰动的能力。
相对于传统的SVPWM调制方法，该算法无需进行矢量计算，对复杂电路的建模和分析更方便。本文最后进行了仿真模拟并搭建了实验平台，仿真和实验结果表明所采用的建模方法和控制策略有效。
图1 双向AC-DC变换器结构图
结论
本文基于切换理论建立了双向AC-DC变换器的切换动态模型，以系统储能函数能量收敛最快为目标设计了最优切换序列控制算法，并证明了其稳定性。通过切换系统单步预测模型对切换律进行离散化。仿真和实验结果表明系统静态和动态控制效果都较好；验证了模型的正确性以及控制策略的有效性。
相对于传统的平均状态建模方法，切换系统理论建模更利于描述电力电子电路的变结构行为，而且通过设计切换路径完成开关管控制，不需要任何PWM调制策略，原理简单、实现容易。
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