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功率变换器的分布式控制和结构研究

胡磊  
【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


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