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【摘要】 电力电子学作为研究电力电子技术理论及应用的一门科学正在蓬勃发展着，它已发展成为一门多学科技术的交叉边缘学科，并成为高技术领域中的一个技术范畴。电力电子学包括电力半导体器件、变流电路、电机控制、模拟/数字电子学、控制理论、微型计算机、数字仿真与CAD等.电力电子学的应用非常广泛，凡是电能的产生、变换、控制、输送和存储等等都离不开电力电子技术。
【关键词】 控制理论；电力电子学
【中图分类号】 O231【文献标识码】 A【文章编号】 1005-1074(2009)04-0186-01
控制理论在电力电子学中的应用可分为两大类。第一类是控制理论与电力电子学的某些具体应用领域相结合，如控制理论在机器人、电力系统、电气传动中的应用。第二类是控制理论应用于提高和改善电力电子电路本身的某些性能。本文综述了电力电子学中的拓扑网络建模及最优控制。
1 电力电子拓扑网络建模
将控制论用于电力电子电路控制的前提是对它的网络拓扑进行建模，但是由于电力电子电路的非线性时变特性和网络拓扑结构的复杂性，使得对它的建模成为一个十分困难而又没能很好解决的问题。PWM变流电路具有电路结构简单、输出电压波形好，并能拟制或消除谐波的特点，使它在中低频领域获得了广泛的应用，此外PWM技术在变换器、逆变器中的应用对近代电力电子技术、近代交流调速系统的发展起到了极大的促进作用，并成为电力电子学中一个非常重要的组成部分。目前对这类电力电子电路的建模方法有状态空间平均法、数据采样建模法、符号分析法、PWM开关平均法等，但这些方法大都针对性强，有很大的局限性，如只适用于中低频电路，或只适用于小信号电路，以及某个具体电路或状态等.其中，PWM开关平均法的基本思想是将变换器中的PWM开关用平均模型替代，其突出优点是避免了小信号假设、适用范围广，是一种非线性、大信号平均模型。此外，它另一个优点是用PWM开关平均法建立的模型直接与原变换器电路相对应，仅仅是将开关用相关模型代替，变换器的所有支路电流、节点电压均可以直接用于该模型。因此，利用该方法可以简单、方便地建立DC-DC变换器的模型.它的局限性与状态平均法一样，即变换器的开关周期要小于变换器的时间常数，该方法能否推广到谐振开关变换器有待进一步的研究和探讨。研究一种适用范围广、具有普遍意义的统一建模方法具有重大的理论和实际意义。
目前电力电子拓扑网络建模的趋势是统一建模方法的研究。有学者采用高频网络平均法对谐振软开关变流器进行统一建模。借助于现代控制论的系统建模方法，对电力电子拓扑网络进行建模研究将是一条有效途径。
2 最优控制在电力电子学中的应用
最优控制是在50年代随着空间技术的迫切需要而发展起来的，它是现代控制理论的重要组成部分之一，也是目前诸多现代控制理论中应用最多，最成熟的一个分支.最优控制已成功地应用于许多领域，如航空、航天、航海的制导、导航和控制，电力系统中发电机组的综合控制，发电机制动电阻的最优时间控制等，目前它已开始应用于电力电子系统的控制。对一般线性最优控制系统可有如下提法，控制系统(t)=A(t)X(t)+B(t)U(t),X∈n, U∈,A(t)-n×n阶矩阵，B(t)-n×r阶矩阵。性能指标：J=K〔X(tf),tf〕+∫f0〔L(x(t)),u(t),t〕dt， tf—终端时刻，X(tf)—终端状态，目标集Φ〔X(t f),tf〕=0.由此最优控制问题可表述为：求一允许控制U(t)使系统由初始状态X(t 0)出发在时间间隔〔t0,tf〕内，到达目标集Φ〔X(tf),tf〕=0，并使性能指标J为最小.对最优控制求解问题主要有变分法和最大值原理两种方法.如果性能指标采用二次型性能指标J=∫∞0(X TQX+UTRU)dt (式中R，Q分别为状态量与控制量的权阵)，则最优控制系统的设计转化为从黎卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0中解出P阵从而得到最优控制律U*=-R-1BT(t)P(t)X(t)的问题.对二次性能指标如何选择权阵R，Q是较困难的一项工作，如选择不同的R，Q，那么其最优控制则是针对由该R，Q所确定的性能指标而言的。因此，如何恰当地选择权阵R，Q是最优控制设计中需注意的问题。在最优控制中代价函数的选取直接表明了设计者的控制目的。若选时间，则为时间最优控制；若选动态性能，则为动态性能最优控制；若选谐波损耗，则为谐波损耗最优控制，所以最优控制在电力电子系统中具有很广阔的应用空间。针对他激式PWM型开关电源的开环特性不稳定的问题，采用最优控制理论对他激式PWM型开关电源闭环特性进行校正，从而使系统的动态性能最佳。“二次型性能指标”权值q与系统动态指标σp，ts及阻尼比ζ间的解析关系，并给出了设计与实现开关电源最好闭环传递函数的方法.实验研究表明：采用最优控制使PWM型开关电源系统获得了优良的动态性能.我们知道，在电力电子系统中存在大量的开关型控制，产生了大量谐波.谐波的存在使得系统效率降低、负载发热、产生噪声及振动，所以谐波的抑制是一个重要问题。实验结果表明：对三相PWM逆变器实现谐波损耗最优控制，大大降低了电机的谐波损耗。众所周知，谐振式变换器与传统PWM变换器比具有很多优点，然而由于采用了高频谐振回路使得谐振变换器工作更加复杂、控制更加困难.以往主要的控制策略有：Delta调制、ΣΔM调制的离散脉冲调制、最优离散脉冲调制等，这些控制策略各有其优点，但对于要求具有动态品质好、电流脉动小、对参数变化和负载干扰具不敏感性的应用场合，它们都存在某些局限性。为此，提出了一种新型状态反馈控制用于改善谐振变换器的静态、动态特性.实验结果表明该方法使系统不仅具有优良的静态和动态特性，而且对系统工作点的变化不敏感。应当指出，最优控制是从精确的数学模型计算出来的，当模型存在偏差将严重影响系统的性能，使品质恶化，因此有必要解决鲁棒闭环算法问题。
【关键词】 控制理论；电力电子学
【中图分类号】 O231【文献标识码】 A【文章编号】 1005-1074(2009)04-0186-01
控制理论在电力电子学中的应用可分为两大类。第一类是控制理论与电力电子学的某些具体应用领域相结合，如控制理论在机器人、电力系统、电气传动中的应用。第二类是控制理论应用于提高和改善电力电子电路本身的某些性能。本文综述了电力电子学中的拓扑网络建模及最优控制。
1 电力电子拓扑网络建模
将控制论用于电力电子电路控制的前提是对它的网络拓扑进行建模，但是由于电力电子电路的非线性时变特性和网络拓扑结构的复杂性，使得对它的建模成为一个十分困难而又没能很好解决的问题。PWM变流电路具有电路结构简单、输出电压波形好，并能拟制或消除谐波的特点，使它在中低频领域获得了广泛的应用，此外PWM技术在变换器、逆变器中的应用对近代电力电子技术、近代交流调速系统的发展起到了极大的促进作用，并成为电力电子学中一个非常重要的组成部分。目前对这类电力电子电路的建模方法有状态空间平均法、数据采样建模法、符号分析法、PWM开关平均法等，但这些方法大都针对性强，有很大的局限性，如只适用于中低频电路，或只适用于小信号电路，以及某个具体电路或状态等.其中，PWM开关平均法的基本思想是将变换器中的PWM开关用平均模型替代，其突出优点是避免了小信号假设、适用范围广，是一种非线性、大信号平均模型。此外，它另一个优点是用PWM开关平均法建立的模型直接与原变换器电路相对应，仅仅是将开关用相关模型代替，变换器的所有支路电流、节点电压均可以直接用于该模型。因此，利用该方法可以简单、方便地建立DC-DC变换器的模型.它的局限性与状态平均法一样，即变换器的开关周期要小于变换器的时间常数，该方法能否推广到谐振开关变换器有待进一步的研究和探讨。研究一种适用范围广、具有普遍意义的统一建模方法具有重大的理论和实际意义。
目前电力电子拓扑网络建模的趋势是统一建模方法的研究。有学者采用高频网络平均法对谐振软开关变流器进行统一建模。借助于现代控制论的系统建模方法，对电力电子拓扑网络进行建模研究将是一条有效途径。
2 最优控制在电力电子学中的应用
最优控制是在50年代随着空间技术的迫切需要而发展起来的，它是现代控制理论的重要组成部分之一，也是目前诸多现代控制理论中应用最多，最成熟的一个分支.最优控制已成功地应用于许多领域，如航空、航天、航海的制导、导航和控制，电力系统中发电机组的综合控制，发电机制动电阻的最优时间控制等，目前它已开始应用于电力电子系统的控制。对一般线性最优控制系统可有如下提法，控制系统(t)=A(t)X(t)+B(t)U(t),X∈n, U∈,A(t)-n×n阶矩阵，B(t)-n×r阶矩阵。性能指标：J=K〔X(tf),tf〕+∫f0〔L(x(t)),u(t),t〕dt， tf—终端时刻，X(tf)—终端状态，目标集Φ〔X(t f),tf〕=0.由此最优控制问题可表述为：求一允许控制U(t)使系统由初始状态X(t 0)出发在时间间隔〔t0,tf〕内，到达目标集Φ〔X(tf),tf〕=0，并使性能指标J为最小.对最优控制求解问题主要有变分法和最大值原理两种方法.如果性能指标采用二次型性能指标J=∫∞0(X TQX+UTRU)dt (式中R，Q分别为状态量与控制量的权阵)，则最优控制系统的设计转化为从黎卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0中解出P阵从而得到最优控制律U*=-R-1BT(t)P(t)X(t)的问题.对二次性能指标如何选择权阵R，Q是较困难的一项工作，如选择不同的R，Q，那么其最优控制则是针对由该R，Q所确定的性能指标而言的。因此，如何恰当地选择权阵R，Q是最优控制设计中需注意的问题。在最优控制中代价函数的选取直接表明了设计者的控制目的。若选时间，则为时间最优控制；若选动态性能，则为动态性能最优控制；若选谐波损耗，则为谐波损耗最优控制，所以最优控制在电力电子系统中具有很广阔的应用空间。针对他激式PWM型开关电源的开环特性不稳定的问题，采用最优控制理论对他激式PWM型开关电源闭环特性进行校正，从而使系统的动态性能最佳。“二次型性能指标”权值q与系统动态指标σp，ts及阻尼比ζ间的解析关系，并给出了设计与实现开关电源最好闭环传递函数的方法.实验研究表明：采用最优控制使PWM型开关电源系统获得了优良的动态性能.我们知道，在电力电子系统中存在大量的开关型控制，产生了大量谐波.谐波的存在使得系统效率降低、负载发热、产生噪声及振动，所以谐波的抑制是一个重要问题。实验结果表明：对三相PWM逆变器实现谐波损耗最优控制，大大降低了电机的谐波损耗。众所周知，谐振式变换器与传统PWM变换器比具有很多优点，然而由于采用了高频谐振回路使得谐振变换器工作更加复杂、控制更加困难.以往主要的控制策略有：Delta调制、ΣΔM调制的离散脉冲调制、最优离散脉冲调制等，这些控制策略各有其优点，但对于要求具有动态品质好、电流脉动小、对参数变化和负载干扰具不敏感性的应用场合，它们都存在某些局限性。为此，提出了一种新型状态反馈控制用于改善谐振变换器的静态、动态特性.实验结果表明该方法使系统不仅具有优良的静态和动态特性，而且对系统工作点的变化不敏感。应当指出，最优控制是从精确的数学模型计算出来的，当模型存在偏差将严重影响系统的性能，使品质恶化，因此有必要解决鲁棒闭环算法问题。