基于切換線性系統(tǒng)的DC-DC變換器控制基礎(chǔ)理論研究.pdf

1、電力電子變換器作為一類典型的開關(guān)非線性系統(tǒng)，長期以來，由于認(rèn)識(shí)上的局限性，變換器的建模和分析一直沿用線性系統(tǒng)的思路，這導(dǎo)致變換器許多特性不能被深刻認(rèn)識(shí)。此外，以往主要是從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的角度去研究變換器的運(yùn)行性能。事實(shí)上，電力電子變換器作為一類控制系統(tǒng)，應(yīng)該從能控性、能達(dá)性、能觀性、穩(wěn)定性和輸出能控性的角度構(gòu)建其理論分析框架，由此才能提出變換器綜合設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化控制方法，從而電力電子技術(shù)作為一門學(xué)科才顯得完整和成熟?！　榇?，本文嘗試從控制

2、系統(tǒng)認(rèn)識(shí)發(fā)展的角度：線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)到混雜系統(tǒng)，將電力電子變換器視為一類同時(shí)包含連續(xù)狀態(tài)變量和離散開關(guān)變量的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，即切換線性系統(tǒng)；以DC-DC變換器作為主要研究對(duì)象，從模型建立到系統(tǒng)控制基礎(chǔ)理論研究，構(gòu)造出一整套基本完整的系統(tǒng)分析理論，以彌補(bǔ)電力電子變換器基礎(chǔ)理論研究的不足。論文提出并開展以下工作：　　一是DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)的建模理論。針對(duì)DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作特點(diǎn)，給出切換線性系統(tǒng)的定義和標(biāo)準(zhǔn)型，研

3、究切換線性系統(tǒng)理論對(duì)DC-DC變換器建模的普適性。建立基本DC-DC變換器不同運(yùn)行模態(tài)、不同電路參數(shù)情況下的切換線性系統(tǒng)模型；建立隔離型變換器、三電平變換器以及諧振變換器的切換線性系統(tǒng)模型，從而得到DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型建模的一般方法，提出DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)的建模理論?！　《荄C-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型與現(xiàn)有模型的延續(xù)性及一般性研究，從而探討DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型的一般意義。引入矩陣系數(shù)多項(xiàng)式插值法

4、，對(duì)DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型進(jìn)行插值運(yùn)算，得到一類連續(xù)變量與離散變量直接關(guān)聯(lián)的線性系統(tǒng)。研究表明，著名的狀態(tài)空間平均模型是該線性系統(tǒng)的一個(gè)特例，并提出“面積定則”原理。穩(wěn)態(tài)分析和仿真結(jié)果證明了該線性系統(tǒng)的有效性和實(shí)用價(jià)值，因此DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型具有一般意義?！　∪荄C-DC變換器切換線性系統(tǒng)能控性、能達(dá)性和穩(wěn)定性理論研究。能控性、能達(dá)性和穩(wěn)定性是保證變換器穩(wěn)定工作的前提條件和必要條件。基于切換線性系統(tǒng)能控性、能

5、達(dá)性和穩(wěn)定性理論，提出DC-DC變換器能控性、能達(dá)性和穩(wěn)定性的定義，并從數(shù)學(xué)模型上嚴(yán)格證明DC-DC變換器的能控性、能達(dá)性和穩(wěn)定性；根據(jù)PWM控制DC-DC變換器的特點(diǎn)，提出變換器一個(gè)周期之后和多周期的能控性和能達(dá)性，使得對(duì)DC-DC變換器的研究，從以往的拓?fù)溲芯可仙较到y(tǒng)理論研究的高度，形成DC-DC變換器的能控性、能達(dá)性和穩(wěn)定性研究理論。以單周期控制Boost變換器作為能控性分析的應(yīng)用實(shí)例，基于系統(tǒng)控制理論嚴(yán)格證明單周期控制在Boo

6、stPFC變換器中的適用性，為新型控制理論與技術(shù)在變換器中應(yīng)用的普適性研究提供一種理論分析方法?！　∷氖荄C-DC變換器切換線性系統(tǒng)能觀性理論研究。能觀性是構(gòu)造系統(tǒng)狀態(tài)觀測(cè)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)反饋控制的基石。基于切換線性系統(tǒng)的能觀性理論，提出DC-DC變換器的能觀性定義，并從數(shù)學(xué)模型上嚴(yán)格證明DC-DC變換器的能觀性；根據(jù)PWM控制DC-DC變換器的特點(diǎn)，提出變換器一個(gè)周期之后和多周期的能觀性，形成DC-DC變換器的能觀性研究理論，為變換

7、器構(gòu)造狀態(tài)反饋控制奠定理論基礎(chǔ)?！　∥迨荄C-DC變換器切換線性系統(tǒng)輸出能控性理論研究。輸出能控性是系統(tǒng)控制理論中的一個(gè)重要概念，它是能觀性的前提條件和必要條件，也有別于狀態(tài)能控性?；谇袚Q線性系統(tǒng)輸出能控性理論，從系統(tǒng)控制理論的角度提出DC-DC變換器的輸出能控性理論，基于數(shù)學(xué)模型嚴(yán)格證明DC-DC變換器的輸出能控性；根據(jù)PWM控制DC-DC變換器的特點(diǎn)，提出變換器一個(gè)周期之后和多周期的輸出能控性，形成DC-DC變換器的輸出能控性研

8、究理論。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，從工程實(shí)踐中提煉出的基本DC-DC變換器具有很好的輸出能控性?！　×荄C-DC變換器切換線性系統(tǒng)新型切換控制器研究。在切換線性系統(tǒng)理論中，切換序列描述了切換模式的演化規(guī)律，切換控制器實(shí)現(xiàn)了切換序列。目前，切換控制器的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為切換線性系統(tǒng)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)，還沒有一種通用的設(shè)計(jì)方法。將一類特殊的DC-DC變換器切換線性系統(tǒng)模型簡化為雙線性系統(tǒng)模型，利用雙線性系統(tǒng)穩(wěn)定性理論，提出DC-DC變換器中切換