高階開關(guān)功率變換器中的非線性動(dòng)力學(xué)行為及其控制研究.pdf

1、非線性科學(xué)作為一門研究非線性現(xiàn)象共性的交叉學(xué)科、綜合學(xué)科，不斷地揭
　　 示著世界的非線性本質(zhì)，不斷地推動(dòng)著人們用之改造世界的進(jìn)程。各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域
　　 都存在非線性問(wèn)題，電力電子技術(shù)領(lǐng)域也不例外。開關(guān)功率變換器是電力電子電
　　 路與系統(tǒng)的重要組成部分，屬于一類分段切換系統(tǒng)，具有強(qiáng)非線性和時(shí)變特性，
　　 能表現(xiàn)出豐富的非線性動(dòng)力學(xué)行為。因此，運(yùn)用非線性科學(xué)的理論與方法對(duì)開關(guān)
　　 功率變換器進(jìn)行

2、研究，有利于揭示其非線性本質(zhì)；有利于指導(dǎo)電力電子技術(shù)領(lǐng)域
　　 的工程實(shí)踐，優(yōu)化變換器的穩(wěn)定性、可靠性設(shè)計(jì)；有利于奠定電力電子學(xué)的理論
　　 基礎(chǔ)，豐富非線性科學(xué)的內(nèi)容與方法。
　　 自上世紀(jì)八九十年代開關(guān)功率變換器中的非線性現(xiàn)象被首次報(bào)道以來(lái)，國(guó)內(nèi)
　　 外研究者從仿真、理論、實(shí)驗(yàn)等多維度，對(duì)開關(guān)功率變換器中的非線性動(dòng)力學(xué)行
　　 為及其控制與應(yīng)用展開了較為廣泛的研究，形成了電力電子學(xué)非線性研究

3、的重要
　　 分支。但已有研究多集中于低階開關(guān)功率變換器，而鮮有對(duì)高階開關(guān)功率變換器
　　 的非線性研究?；诖?，本文以高階開關(guān)功率變換器為研究對(duì)象，基于非線性動(dòng)
　　 力學(xué)的分岔與混沌理論，對(duì)其非線性建模、非線性動(dòng)力學(xué)行為的描述與分析、非
　　 線性動(dòng)力學(xué)行為的控制與應(yīng)用等展開研究，旨在揭示高階開關(guān)功率變換器的非線
　　 性本質(zhì)，指導(dǎo)高階開關(guān)功率變換器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。具體工作包括：
　　

4、(1) 開關(guān)功率變換器非線性研究述評(píng)與非線性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)。第1章分析了
　　 開關(guān)功率變換器非線性研究的意義，從變換器的非線性建模、動(dòng)力學(xué)行為及其分
　　 析、動(dòng)力學(xué)行為的控制與應(yīng)用等三個(gè)方面，綜述了相關(guān)研究概況。并基于此，提
　　 出了本文的研究?jī)r(jià)值與內(nèi)容。第2 章介紹了非線性動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，主要包括分岔與
　　 混沌理論，總結(jié)了非線性動(dòng)力學(xué)的研究方法，并給出了常用數(shù)值研究方法及其在
　　 開關(guān)功率變

5、換器非線性研究中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)。
　　 (2) 高階開關(guān)功率變換器的非線性建模。建模是進(jìn)行變換器非線性研究的前
　　 提，廣泛使用的建模方法有狀態(tài)空間平均法和離散時(shí)間映射法。本文第3 章針對(duì)
　　 高階開關(guān)功率變換器的復(fù)雜性，提出了一種綜合運(yùn)用這兩種方法的建模方法，并
　　 將之應(yīng)用于電流模式控制Cuk 變換器的建模與穩(wěn)定性分析，建立了變換器閉式
　　 迭代映射模型，得到了變換器穩(wěn)定性判據(jù)的解析表達(dá)

6、式，分析了電路參數(shù)對(duì)變換
　　 器穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果驗(yàn)證了此建模方法的有效性。
　　 (3) 高階開關(guān)功率變換器中的非線性動(dòng)力學(xué)行為及其分析?；煦绗F(xiàn)象可以發(fā)
　　 生在二階及其以上非自治開關(guān)功率變換器（一階斷續(xù)電流模式非自治變換器亦
　　 可）、三階及其以上自治開關(guān)功率變換器中。因此，四階開關(guān)功率變換器在一定
　　 的參數(shù)范圍內(nèi)定會(huì)發(fā)生分岔、混沌等非線性動(dòng)力學(xué)行為。本文第4 章對(duì)耦合有干

7、>　　 擾信號(hào)的峰值電流模式SEPIC 變換器中的間歇分諧波與間歇混沌現(xiàn)象進(jìn)行了研
　　 究，通過(guò)數(shù)值仿真和電路仿真展示了間歇現(xiàn)象，并采用時(shí)間分岔到參數(shù)分岔的策
　　 略，基于離散時(shí)間映射模型、雅克比矩陣特征值分析法進(jìn)行了相應(yīng)的理論分析。
　　 仿真結(jié)果與理論分析一致表明干擾信號(hào)的強(qiáng)度和頻率決定著間歇的類型與周期。
　　 此外，提出了基于變換器間歇現(xiàn)象的微弱周期信號(hào)檢測(cè)方法。第5 章對(duì)自治高階
　

8、　 開關(guān)功率變換器（滑模控制SEPIC 變換器）的穩(wěn)定性與復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了
　　 研究，基于滑模變結(jié)構(gòu)理論，為SEPIC 變換器進(jìn)行了滑?？刂圃O(shè)計(jì)，得到了變
　　 換器的等效平均模型，分析了平衡點(diǎn)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)雅克比矩陣及其特征值的
　　 分析，判定變換器隨著參考電流的增大發(fā)生了超臨界Hopf分岔，并得到不同電
　　 路參數(shù)下變換器的穩(wěn)定邊界曲面。數(shù)值仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性，并展
　

9、　 示了滑模SEPIC 變換器經(jīng)由Hopf分岔、單極限環(huán)、雙極限環(huán)、準(zhǔn)周期而進(jìn)入混
　　 沌狀態(tài)的演化過(guò)程。
　　 (4) 高階開關(guān)功率變換器中非線性動(dòng)力學(xué)行為的控制研究。對(duì)開關(guān)功率變換
　　 器中非線性動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行控制研究，是變換器非線性研究應(yīng)用于工程實(shí)踐的必
　　 然要求。傳統(tǒng)的控制方法和一些特定的混沌控制方法，一般都可以應(yīng)用于變換器
　　 的分岔與混沌控制，但目前關(guān)于高階變換器的混沌控制

10、研究很少。因此，本文第
　　 6 章對(duì)高階變換器的分岔與混沌控制進(jìn)行了探討。以峰值電流模式SEPIC 變換器
　　 為例，采用時(shí)間延遲反饋控制法，對(duì)非自治高階變換器系統(tǒng)中的混沌進(jìn)行了有效
　　 的控制，給出了延遲反饋增益的取值范圍；以滑?？刂芐EPIC 變換器為例，采
　　 用外加周期信號(hào)的非反饋控制方法，對(duì)自治高階開關(guān)功率變換器系統(tǒng)中的混沌進(jìn)
　　 行了有效控制。此外，采用變量線性反饋控制方法，