分布式功率變換器的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其同步、容錯性能研究.pdf

1、電力電子系統(tǒng)集成、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化技術(shù)是本世紀(jì)電力電子技術(shù)發(fā)展的必由之路。對于由電力電子模塊通過一定的連接方式而構(gòu)成的功率變換器或電源應(yīng)用系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)的研究，是近些年電力電子學(xué)科一個重要而熱門的方向。本文以采用分布式控制的、由若干電力電子基本單元構(gòu)成的新型變換器系統(tǒng)為主要研究對象，對于新型變換器系統(tǒng)所出現(xiàn)的新特點(diǎn)以及可能出現(xiàn)的新問題等方面進(jìn)行了系統(tǒng)而詳細(xì)的研究。
　　 首先論文以采用分布式控制并由若干電力電子基本單元構(gòu)成的功率變

2、換器為研究對象，分析了這種變換器的特點(diǎn)，并對其硬件結(jié)構(gòu)和控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的描述，主要包括電力電子基本單元功率級的拓?fù)溥x取、分布式控制下分層結(jié)構(gòu)的功能劃分、各基本模塊單元的組網(wǎng)方式、通信協(xié)議的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)報(bào)文格式的定義等等。基于系統(tǒng)集成技術(shù)的分布式功率變換器對實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高可靠性，縮短開發(fā)周期、降低大規(guī)模生產(chǎn)成本有非常重要的作用。本文所提出的分布式功率變換器的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本思路和理論分析對后續(xù)工作的研究具有重要的參考價值。
　　

3、 本文進(jìn)一步提出了一種基于FPGA的異步過采樣混合信號控制結(jié)構(gòu)。該控制結(jié)構(gòu)僅包含了一個FPGA控制器、一個DAC轉(zhuǎn)換器以及一個比較器。其中，F(xiàn)PGA控制器用來完成DPWM信號產(chǎn)生以及PID算法的實(shí)現(xiàn)。DAC轉(zhuǎn)換器與比較器協(xié)同工作用來實(shí)現(xiàn)兩種操作功能：一種定義為轉(zhuǎn)換狀態(tài)用來完成逐次逼近AD轉(zhuǎn)換，一種定義為調(diào)制狀態(tài)用來實(shí)現(xiàn)模擬域下的PWM調(diào)制器功能。這種混合信號的控制結(jié)構(gòu)具有即時響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，它的動態(tài)特性非常接近模擬控制方案。更重要的是，在該

4、控制結(jié)構(gòu)中所用器件都適合功率集成。這種混合控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)良性能為其在更多更廣的工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。
　　 此外，本文對不同調(diào)制方式下采用分布式控制的變換器系統(tǒng)的同步特性以及同步誤差對系統(tǒng)輸出的影響進(jìn)行了系統(tǒng)而詳細(xì)的討論和研究。首先，本文以PSPWM調(diào)制的三相五電平級聯(lián)型逆變器為例，考慮了載波同步誤差，調(diào)制波同步誤差和采樣同步誤差三種誤差形態(tài)對同步性能的影響。三種誤差都將導(dǎo)致輸出相電壓的諧波頻譜中額外的低次載波邊帶諧波成

5、分的出現(xiàn)。并且隨著同步誤差的增大，輸出相電壓的THD值也會隨之增大。本文對三種誤差對系統(tǒng)輸出的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析，從理論計(jì)算和仿真結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果中進(jìn)行橫向和縱向的對比，得出在誤差影響下系統(tǒng)輸出相電壓各諧波成分分布的一般規(guī)律，并總結(jié)了三種誤差對輸出相電壓影響程度大小的重要結(jié)論，其中，載波同步誤差對輸出相電壓的影響要比相同的調(diào)制波同步誤差和采樣同步誤差對輸出相電壓的影響顯著得多。
　　 以SVPWM調(diào)制的三相全橋逆變器為例，分析

6、了同步誤差對系統(tǒng)輸出特性的影響。通過雙傅立葉分析計(jì)算和Matlab仿真，本文對采用SVPWM調(diào)制的分布式控制的變換器在存在同步誤差情況下的諧波能量轉(zhuǎn)移特性進(jìn)行了詳細(xì)而系統(tǒng)的分析和驗(yàn)證。同步誤差將導(dǎo)致輸出線電壓中額外的低次基波邊帶諧波、載波邊帶諧波以及奇數(shù)倍數(shù)次載波諧波成分的出現(xiàn)。同樣，所得同步誤差對諧波分布規(guī)律影響的相關(guān)結(jié)論對于基于基本單元構(gòu)建的采用分布式控制SVPWM調(diào)制的變換器系統(tǒng)的同步特性的研究將有一定的指導(dǎo)意義。
　　

7、最后，本文以具有冗余開關(guān)狀態(tài)的由基本單元構(gòu)成的多電平變換器拓?fù)錇檠芯繉ο?，討論了?dāng)開關(guān)管器件發(fā)生故障時容錯技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。我們所采取的系統(tǒng)重構(gòu)策略是以聯(lián)動處理互補(bǔ)工作的開關(guān)管對為基礎(chǔ)，按照故障分類情況，對故障開關(guān)管對進(jìn)行聯(lián)動處理，從而使系統(tǒng)不受故障開關(guān)管對的影響，仍然能實(shí)現(xiàn)正常的平衡的線電壓輸出。而且，在重構(gòu)后的電路運(yùn)行狀態(tài)下，硬件電路和器件的電壓應(yīng)力都沒有改變。本文中以PDPWM和PSPWM調(diào)制方法為例，討論故障下的重構(gòu)方法。但是這種重構(gòu)