基于电力电子网络的变流系统研究

论文摘要

电力电子系统的集成化是现今电力电子技术发展的趋势,系统的模块化和标准化技术是目前电力电子领域的重要研究方向。研究基于电力电子网络的变流系统,对复杂电力电子装置的系统级集成具有重要意义,是电力电子系统集成技术的基本组成部分。本文从变流系统的功率流和信息流双重分布性的角度出发,对电力电子系统网络（Power Electronics System Network,PES-Net）的模型和变流系统的通信需求进行分析,提出实时电力电子系统网络（Real-time power electronics system network,RT-PES-Net）;并对基于新网络的分布式控制及管理方案和模块化软件方案等内容进行系统的研究,提出基于栈操作的实时软件构建方案。本文的研究将为变流系统的控制结构和软件方案标准化提供参考和理论依据,为应用系统的集成提供解决方案。复杂中大功率变流系统是网络化分布式控制系统的应用对象。首先,论文以复杂系统为研究对象,分析了应用系统的功率流和信息流在空间结构上的对偶关系和双重分布的特性;在电力电子集成模块（Power Electronics Building Blocks,PEBB）的基础上,研究了变流系统的网络化分布式控制方案,并得出系统组构的初步构想,总结出适合复杂电力电子系统集成的标准化理论。接着,论文对电力电子网络模型进行了研究。分析了现有各类总线网络和目前用于电力电子应用系统的网络,从结构、速率和协议等各个方面将两类网络进行了系统的对比。明确了电力电子系统网络（PES-Net）的定义,分析并总结复杂电力电子实时系统所需网络必需具备的条件。根据现有网络技术背景,综合控制结构和网络需求,提出了电力电子系统网络（PES-Net）的模型。为满足变流系统的实时控制,论文对分布式控制结构的通信需求进行了研究。以网络控制系统（Networked Control System,NCS）为背景,对变流器系统控制信息延时因素进行了分析;通过对典型电力电子系统的分析,归纳和总结了系统的控制功能和控制内容,对系统不同层次的控制任务进行了响应时间需求分析和网络的分层配置;通过对仿真结果的分析,研究了应用系统内模块控制信息延时对不同应用系统的性能影响和对开关频率的限制。根据变流系统对控制延时的接受程度,将电力电子复杂系统归为两大类:1)零延时系统;2)定延时系统。针对上述两类系统,论文给出了电力电子网络（PES-Net）的通道容量和应用系统开关周期的计算方法。论文对开放式、分布式的电力电子系统网络（PES-Net）的硬件组成和同步方案进行了研究,提出新的实时网络和系统级集成方案。根据主节点和从节点的控制任务需求,分别从功能和系统结构的角度对开放式网络的硬件构成进行研究;根据控制系统的接口需求分析,对节点的通用性设计进行重点讨论。针对网络的同步问题,本文分析了简单有效的解决方法,即基于数据结构的同步补偿方案;此外,论文提出基于实时高速电力电子系统网络（RT-PES-Net）的同步方案,研究适合变流器实时控制的网络结构和相应的硬件配置。根据应用控制和通信系统所需的各种操作,论文对实时网络的管理进行了讨论,研究了信息帧管理和相应的硬件设置,并对各种工作模式下所需的通信时间进行了计算和比较。基于实时网络系统及其管理方案,论文给出了组构以PEBB为基础的变流系统的方案。论文对基于RT-PES-Net的模块化软件方案进行了研究。首先,将控制软件与功率硬件进行解耦,使得软件设计与硬件部分分离。在分析电力电子软件特性的前提下,论文提出基于栈操作的模块化软件方案,增加子程序实时构件的内聚性;对软件模块化的通用性进行研究,分析模块接口参数和变量的申明和配置,并研究参数的定标,对构件进行分类;分析子程序实时构件在执行速度上的优点。论文对电力电子系统控制软件（Power Electronics System Control Software,PES-CS）的组构和集成进行研究,简化软件主框架。最后,论文分别对RT-PES-Net和模块化软件方案进行了相应的实验研究和分析。论文对提出的实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）进行了通信实验,将新网络拓扑对变流系统的延时影响与旧网络系统的延时影响进行比较,总结新网络系统在控制实时性、提高开关频率、网络可扩展性和管理灵活度等方面的优势。论文针对RT-PES-Net进行应用研究,验证该网络可解决网络通信失步所造成的问题。论文对基于通用型实时构件和栈操作的模块化软件方案进行实验验证,为标准化软件库的建立和系统级集成提供参考方案。网络化的控制结构研究是复杂电力电子系统级集成研究的关键。本课题针对复杂变流系统提出了实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）,并以该网络为基础对分布式控制结构及相应的网络化管理方案和模块化软件方案展开一系列研究,为电力电子控制系统提供标准化、开放式的网络参考体系,并以此结构来快速构建终端复杂变流系统,为实现标准的应用系统组构提供参考方案,有助于解决电力电子标准化推广所面临的难题。论文为应用系统的即插即用和动态重构提供了研究基础,从而为最终实现复杂变流器的应用系统级集成提供系统化的理论和方法依据。同时,论文的研究开拓了电力电子系统集成和标准化研究的一个新方向。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 英文缩写说明
• 目次
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题研究的概述
• 1.2.1 课题的研究背景
• 1.2.1.1 电力电子系统集成技术国内外研究现状
• 1.2.1.2 复杂电力电子装置系统级集成研究的必要性
• 1.2.2 本文研究的意义及目的
• 1.3 电力电子变流器的数字控制系统回顾
• 1.3.1 典型数字控制的变流系统构成
• 1.3.2 现有电力电子分布式控制系统（DCS）
• 1.3.3 变流系统传统的数字控制结构
• 1.3.4 新型电力电子变流器控制结构
• 1.3.4.1 电力电子数字控制器的比较研究
• 1.3.4.2 新型电子控制结构研究背景
• 1.3.4.3 新型电力电子系统控制结构的研究现状
• 1.3.5 新型电力电子控制结构的比较和存在问题
• 1.4 传感器技术发展概述
• 1.4.1 电力电子传感器的发展现状
• 1.4.2 电力电子传感器发展方向
• 1.4.2.1 基于网络平台的智能化电力电子传感器
• 1.4.2.2 智能化传感器的信号处理能力
• 1.5 电力电子控制软件集成的研究
• 1.5.1 可复用电力电子软件集成方案
• 1.5.2 基于数据流格式的开放式、模块化的电力电子软件方案
• 1.5.3 小结
• 1.6 网络控制结构存在的问题和本课题研究目标
• 1.6.1 基于网络的控制结构存在的问题
• 1.6.2 本课题研究目标和内容
• 1.7 论文主要内容的章节安排
• 参考文献
• 第2章 基于电力电子集成模块（PEBB）的分布式控制结构
• 2.1 引言
• 2.2 电力电子变流系统结构分解
• 2.2.1 复杂变流系统的模型研究
• 2.2.1.1 系统的空间三维坐标模型
• 2.2.1.2 基于开放系统互联（OSI）的七层模型
• 2.2.1.3 双重分布式（DDS）模型
• 2.2.1.4 小结
• 2.2.2 控制内容的分层方案
• 2.2.2.1 控制任务及其时间响应分析
• 2.2.2.2 控制任务的硬件配置
• 2.3 电力电子集成模块（PEBB）的研究
• 2.3.1 PEBB的功能和基本接口描述
• 2.3.2 PEBB功率拓扑的基本结构
• 2.3.3 PEBB的研究意义
• 2.3.4 PEBB通用性的评价
• 2.3.5 基于PEBB的集成系统控制研究
• 2.4 基于网络的电力电子系统控制结构
• 2.4.1 控制系统的任务配置
• 2.4.2 基于数字网络的控制结构
• 2.4.2.1 电力电子系统的网络分类
• 2.4.2.2 基于PES-Net的电力电子系统特点
• 2.4.3 网络化的智能电力电子传感器
• 2.5 基于电力电子系统网络（PES-Net）的系统集成研究
• 2.5.1 系统硬件集成
• 2.5.2 系统功能集成
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第3章 电力电子系统网络（PES-Net）模型
• 3.1 引言
• 3.2 控制领域的局域网—工业现场总线和专用控制网络
• 3.2.1 工业现场控制网络协议
• 3.2.1.1 工业现场控制网络拓扑
• 3.2.1.2 常用控制网络协议
• 3.2.2 工业现场控制网络的技术总结和性能对比
• 3.2.3 控制局域网在电力电子中的应用
• 3.2.3.1 CAN的应用
• 3.2.3.2 RS-485的应用
• 3.2.3.3 小结
• 3.3 PES-Net模型
• 3.3.1 PES-Net的网络技术背景
• 3.3.1.1 局域网简化ISO/OSI参考模型
• 3.3.1.2 局域网（LAN）物理拓扑结构
• 3.3.1.3 介质访问的控制方式（MAC）和总线仲裁方式
• 3.3.2 工业控制网络特性和PES-Net需求的匹配性类比
• 3.3.3 基于PEBB的电力电子网络系统（PES-Net）模型
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 变流系统分布式控制的通信需求研究
• 4.1 引言
• 4.2 功率变流器系统控制信息延时因素的分析
• 4.2.1 数字系统响应延时
• 4.2.1.1 采样延时
• 4.2.1.2 数字计算延时
• 4.2.1.3 数字响应延时总结
• 4.2.2 PES-Net的网络诱导延时（NID）
• 4.3 电力电子装置的实时控制内容及响应时间分析
• 4.3.1 典型电力电子装置的控制系统分析
• 4.3.1.1 调速系统
• 4.3.1.2 可再生能源分布式发电系统（DGS-RE）
• 4.3.1.3 UPS并联系统
• 4.3.1.4 小结
• 4.3.2 电力电子系统网络（PES-Net）在控制系统中的配置
• 4.4 网络控制延时对变流系统的影响
• 4.4.1 控制延时对变流系统性能的影响
• 4.4.2 控制延时对开关频率限制
• 4.5 控制延时的仿真研究及变流系统的分类
• 4.5.1 控制延时对交错并联逆变系统的影响
• 4.5.2 控制延时对三相整流系统的影响
• 4.5.3 零延时系统和定延时系统
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 第5章 实时电力电子系统网络（RT-PES-Nec）和变流器集成方案
• 5.1 引言
• 5.2 基于开放式、分布式原则的PES-Net控制系统组成
• 5.2.1 开放式PES-Net主节点控制器设计
• 5.2.2 PES-Net从节点控制器设计
• 5.2.2.1 SR型从节点控制器设计
• 5.2.2.2 NSR型从节点控制器设计
• 5.3 实时高速电力电子系统网络（RT-PES-Net）
• 5.3.1 同步方法
• 5.3.1.1 基于通信数据格式的同步方案
• 5.3.1.2 基于网络结构和拓扑的同步方案
• 5.3.2 实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）
• 5.3.2.1 PES-Net系统的通信数据类型
• 5.3.2.2 实时电力电子光纤环网结构
• 5.3.2.3 RT-PES-Net的同步补偿作用
• 5.3.2.4 零延时系统的同步帧延时补偿方案
• 5.4 基于RT-PES-Net的电力电子应用系统集成
• 5.4.1 RT-PES-Net的管理
• 5.4.2 基于RT-PES-Net和PEBB的应用集成系统
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第6章 基于实时电力电子系统网络的标准化软件方案
• 6.1.引言
• 6.2 基于RT-PES-Net的模块化软件方案
• 6.2.1 RT-PES-Net系统内的控制软件和硬件的解耦
• 6.2.2 基于栈操作（Stack Based,SB）的模块化实时软件框架
• 6.2.2.1 电力电子系统的控制软件
• 6.2.2.2 基于栈操作（SB）的电力电子系统实时构件（PES-RTC）
• 6.2.3 实时构件的接口参数定标
• 6.2.4 实时构件的分类
• 6.2.5 电力电子系统控制软件（PES-CS）组构
• 6.3 应用实例
• 6.3.1 高频型DC/DC控制软件的模块化方案
• 6.3.2 PFC多任务型控制软件的模块化方案
• 6.4 本章小结
• 参考文献
• 第7章 实验研究
• 7.1 引言
• 7.2 实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）的通信实验
• 7.2.1 RT-PES-Net的结构
• 7.2.2 RT-PES-Net的功能说明
• 7.2.3 实验结果及系统传输延时分析
• 7.2.4 RT-PES-Net的评价
• 7.3 实时电力电子系统网络（RT-PES-Net）的应用实验
• 7.4 子程序实时构件（SRTC）模块化软件方案的应用实验
• 7.4.1 数字变频控制的LLC谐振型高频直流变换器
• 7.4.2 多数字控制任务的PFC变换器
• 7.5 本章小结
• 参考文献
• 第8章 总结和展望
• 8.1 总结
• 8.2 创新点
• 8.3 展望
• 攻读博士学位期间发表的文章
• 攻读博士学位期间申请的专利
• 攻读博士学位期间主要承担的科研项目