功率变换器的分布式控制和结构研究

论文题目: 功率变换器的分布式控制和结构研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 电力电子与电力传动

作者: 胡磊

导师: 何湘宁

关键词: 分布式结构,控制,逆变器,多电平,容错

文献来源: 浙江大学

发表年度: 2005

论文摘要: 电力电子技术是21世纪应用最广泛的技术之一,随着电力电子技术在国民经济中的作用不断增强,电力电子技术的发展也非常迅速。因此,对电力电子系统性能的要求,可靠性要求等愈来愈高。本文系统深入地研究了在功率变换器内部实现分布式控制和结构的相关内容,为变换器硬件构成及控制实现提出了一种新的思路,对于实现新型变换器、简化复杂变换器结构、提高系统可靠性等方面具有重要的意义,在较为复杂的电力电子系统中具有良好的应用前景。论文第一章对电力电子系统的集中式控制方式进行了归纳和总结。同时,还对分布式变换器结构研究的背景进行了概述,主要包括数字控制技术在电力电子中越来越广泛的应用及电力电子系统集成技术的迅速发展。通过与传统的集中式控制结构的功率变换器的对比可以得出:数字控制技术与电力电子系统集成技术有机的结合,分布式结构的功率变换器具有良好的发展前景。论文的第二章提出了分布式结构变换器的基本概念并对其特点进行了阐述。根据仿生学在电力电子中应用的基本观点,通过对分布式电力电子系统和人体系统的类比,总结出两者的共同特点为分层递阶结构和分散自治控制,它们的优越性为可以简化系统结构、提高系统可靠性、便于实现容错技术、易于进行模块化和系统的在线维护等。根据分布式电力电子系统的特点,本文提出了它们的一般性软件结构和两种典型的硬件实现方式。在此基础上,论文提出了适用于分布式控制变换器的功率集成模块——电力电子细胞以及适用于分布式结构变换器的三种基本控制结构。利用分立元件构建了电力电子细胞的实验室原型,为分布式结构变换器的深入研究打下了硬件基础。论文的第三章以由两个电力电子细胞构成的双环反馈控制的单相全桥逆变器为典型对象进行了深入的探讨和研究。通过对控制环节进行不同方式的划分,提出四种逆变器控制结构,分别为同步结构、分层结构、主从结构和完全分散自治结构。在对逆变器模型进行理论分析的基础上,论文对模块间参数分散性、启动时刻的不同步、多速率采样、数据通信、参考信号和载波信号的不同步等方面对系统的影响进行了理论分析,并通过仿真和实验验证了分析结果。通过研究发现,对于本文讨论的逆变器,同步结构中电压环的反馈系数的分散性对系统性能的影响显著,而其它参数的微小的差别对系统性能的影响可以忽略;在其它结构中,只要将参数存在的差异限定在一定范围内就可以忽略其影响。同时,同步结构下的两个电压环不同时启动容易造成系统输出的畸变,因此不适合于实际应用。对于其它几个非理想因素,论文的研究表明,适当设计参数可以将它们的不利影响减小甚至完全消除。论文中提出的完全分散自治结构与传统结构具有较大差异,这种结构下两个模块间不存在直接的信息交换,比其它结构更加简单,更适合构造复杂系统,论文专门分析了其特点并给出了它的实现方式以及实验波

论文目录:

第一章绪论

1.1.引言

1.2.功率变换器高频PWM控制方式的分类

1.2.1.多芯片组成的高频PWM控制电路

1.2.2.单片PWM集成芯片组成的控制电路

1.2.3.控制多个功率变换电路的控制电路

1.3.数字控制技术在电力电子变换器中的应用

1.3.1.数字控制与模拟控制的比较

1.3.2.常用数字控制技术

1.3.3.用于PWM控制的微处理器和数字信号处理器

1.4.电力电子系统集成技术对变换器控制方式的影响

1.4.1.电力电子系统集成技术的发展

1.4.2.功率器件与模拟控制电路的集成

1.4.3.功率电路与数字控制器的集成

1.5.论文研究背景和主要内容

1.5.1.研究背景

1.5.2.论文主要研究内容

第二章分布式功率变换器的基本思想

2.1.引言

2.2.分布式系统与仿生学在电力电子中的应用

2.2.1.仿生学在电力电子中的应用

2.2.2.仿生学应用于电力电子中的主要内容

2.2.3.分层递阶结构和自律分布控制

2.3.分布式电力电子系统

2.3.1.集中式控制的电力电子变换器(或系统)的特点

2.3.2.分布式系统的软件与硬件结构

2.3.3.分布式系统的主要特点

2.4.基于功率变换器的分布式系统

2.4.1.分布式功率变换器并联系统

2.4.2.分布式电源系统

2.5.功率变换器的分布式结构

2.5.1.电力电子细胞

2.5.2.分布式控制的一般结构

2.5.3.由电力电子细胞组成的变换器

2.6.本章小结

第三章单相全桥逆变器的分布式控制

3.1.引言

3.2.电力电子细胞构成的单相全桥逆变器

3.2.1.同步结构(MODE1)

3.2.2.分层控制结构(MODE2)

3.2.3.主从控制结构(MODE3)

3.2.4.分散自治结构(MODE4)

3.3.理想条件下的系统分析

3.4.参数分散性的影响

3.4.1.电流环参数分散性的影响

3.4.2.电压环参数分散性的影响

3.4.3.启动时刻分散性的影响

3.4.4.参数分散性对不同结构的影响总结

3.5.多速率采样系统

3.6.数字通信的影响

3.6.1.信号传输延时

3.6.2.信号传输丢失

3.7.载波周期同步

3.7.1.对输出谐波的影响

3.7.2.对电流采样的影响

3.7.3.DSP中开关周期同步的实现

3.8.分散自治结构的分析和实验

3.8.1.稳态分析

3.8.2.锁相模块的工作原理和实现

3.9.本章小结

第四章分布式结构的多电平变换器

4.1.引言

4.2.多电平变换器基本单元和通用多电平拓扑生成方法

4.3.分布式结构中的基本单元划分

4.3.1.多电平拓扑结构及开关状态

4.3.2.分布式结构多电平变换器的单元划分方式

4.3.3.分布式结构多电平逆变器的实现

4.4.模块间同步

4.4.1.相移载波方式中载波同步误差的影响

4.4.2.相移载波方式中参考正弦波同步误差的影响

4.4.3.同步的实现

4.4.4.实验结果

4.5.本章小结

第五章基于基本单元的多电平逆变器容错技术

5.1.引言

5.2.基于基本单元的容错技术思想

5.3.PDPWM调制策略下的故障重构

5.3.1.第一类故障情况下的重构

5.3.2.第二类故障情况下的重构

5.4.PSPWM调制策略下的故障重构

5.5.实验结果

5.6.本章小结

第六章总结与展望

6.1.论文工作总结

6.1.1.变换器内部分布式控制结构的基本概念和特点

6.1.2.分布式控制结构的逆变器

6.1.3.分布式控制结构的多电平变换器

6.1.4.多电平变换器中的容错技术

6.2.今后工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

发布时间: 2006-07-12

参考文献

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