功率變換器的分布式控制和結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、電力電子技術(shù)是21世紀(jì)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，隨著電力電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的作用不斷增強(qiáng)，電力電子技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。因此，對(duì)電力電子系統(tǒng)性能的要求，可靠性要求等愈來(lái)愈高。本文系統(tǒng)深入地研究了在功率變換器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)分布式控制和結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，為變換器硬件構(gòu)成及控制實(shí)現(xiàn)提出了一種新的思路，對(duì)于實(shí)現(xiàn)新型變換器、簡(jiǎn)化復(fù)雜變換器結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性等方面具有重要的意義，在較為復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。 論文第一章對(duì)電力電子系

2、統(tǒng)的集中式控制方式進(jìn)行了歸納和總結(jié)。同時(shí)，還對(duì)分布式變換器結(jié)構(gòu)研究的背景進(jìn)行了概述，主要包括數(shù)字控制技術(shù)在電力電子中越來(lái)越廣泛的應(yīng)用及電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展。通過(guò)與傳統(tǒng)的集中式控制結(jié)構(gòu)的功率變換器的對(duì)比可以得出：數(shù)字控制技術(shù)與電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，分布式結(jié)構(gòu)的功率變換器具有良好的發(fā)展前景。 論文的第二章提出了分布式結(jié)構(gòu)變換器的基本概念并對(duì)其特點(diǎn)進(jìn)行了闡述。根據(jù)仿生學(xué)在電力電子中應(yīng)用的基本觀點(diǎn)，通過(guò)對(duì)分布式電力電

3、子系統(tǒng)和人體系統(tǒng)的類比，總結(jié)出兩者的共同特點(diǎn)為分層遞階結(jié)構(gòu)和分散自治控制，它們的優(yōu)越性為可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性、便于實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)技術(shù)、易于進(jìn)行模塊化和系統(tǒng)的在線維護(hù)等。根據(jù)分布式電力電子系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了它們的一般性軟件結(jié)構(gòu)和兩種典型的硬件實(shí)現(xiàn)方式。在此基礎(chǔ)上，論文提出了適用于分布式控制變換器的功率集成模塊——電力電子細(xì)胞以及適用于分布式結(jié)構(gòu)變換器的三種基本控制結(jié)構(gòu)。利用分立元件構(gòu)建了電力電子細(xì)胞的實(shí)驗(yàn)室原型，為分布式結(jié)構(gòu)變換

4、器的深入研究打下了硬件基礎(chǔ)。 論文的第三章以由兩個(gè)電力電子細(xì)胞構(gòu)成的雙環(huán)反饋控制的單相全橋逆變器為典型對(duì)象進(jìn)行了深入的探討和研究。通過(guò)對(duì)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行不同方式的劃分，提出四種逆變器控制結(jié)構(gòu)，分別為同步結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)、主從結(jié)構(gòu)和完全分散自治結(jié)構(gòu)。在對(duì)逆變器模型進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，論文對(duì)模塊間參數(shù)分散性、啟動(dòng)時(shí)刻的不同步、多速率采樣、數(shù)據(jù)通信、參考信號(hào)和載波信號(hào)的不同步等方面對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了理論分析，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果

5、。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于本文討論的逆變器，同步結(jié)構(gòu)中電壓環(huán)的反饋系數(shù)的分散性對(duì)系統(tǒng)性能的影響顯著，而其它參數(shù)的微小的差別對(duì)系統(tǒng)性能的影響可以忽略；在其它結(jié)構(gòu)中，只要將參數(shù)存在的差異限定在一定范圍內(nèi)就可以忽略其影響。同時(shí)，同步結(jié)構(gòu)下的兩個(gè)電壓環(huán)不同時(shí)啟動(dòng)容易造成系統(tǒng)輸出的畸變，因此不適合于實(shí)際應(yīng)用。對(duì)于其它幾個(gè)非理想因素，論文的研究表明，適當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)可以將它們的不利影響減小甚至完全消除。論文中提出的完全分散自治結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有較大差異，這種

6、結(jié)構(gòu)下兩個(gè)模塊間不存在直接的信息交換，比其它結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更適合構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)，論文專門分析了其特點(diǎn)并給出了它的實(shí)現(xiàn)方式以及實(shí)驗(yàn)波形。分布式結(jié)構(gòu)逆變器的研究不僅僅提供了逆變器新的控制和結(jié)構(gòu)的形成思路，而且研究?jī)?nèi)容和獲得的結(jié)論為分布式控制在其它拓?fù)渲械膶?shí)現(xiàn)提供了指導(dǎo)。 論文的第四章以分布式結(jié)構(gòu)的多電平變換器作為另一種典型對(duì)象進(jìn)行了深入的研究。論文在多電平拓?fù)浠締卧枷氍F(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)多電平變換器的硬件結(jié)構(gòu)的劃分進(jìn)行了

7、研究，根據(jù)幾種典型的多電平拓?fù)涞奶攸c(diǎn)提出了三種多電平結(jié)構(gòu)的劃分方式。其中在第三種方式中利用的改進(jìn)型的基本單元，不但可以適用于絕大多數(shù)多電平拓?fù)洌曳贤换灸K的兩個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)工作的關(guān)系，方便了變換器的構(gòu)成和控制的實(shí)現(xiàn)。論文分別構(gòu)建了通用型拓?fù)浜图?jí)聯(lián)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式五電平變換器實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)布局清楚的表明了在比較復(fù)雜的功率變換器中采用分布式控制具有的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，相互連線清楚且較短，系統(tǒng)可靠性提高等優(yōu)點(diǎn)。論文還通過(guò)理論分析得

8、到了模塊間的參考正弦波和載波不同步帶來(lái)輸出波形低次諧波增加的結(jié)論。但是，利用論文提出的同步技術(shù)，模塊間可以達(dá)到很高的同步精度，分析、仿真和實(shí)驗(yàn)表明，在這種精度下模塊間的同步誤差給輸出波形帶來(lái)的影響基本可以忽略。因此論文提出的分布式結(jié)構(gòu)多電平變換器在具有很多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)完全可以達(dá)到傳統(tǒng)的集中式控制下的輸出性能，分布式多電平變換器的研究對(duì)多電平變換器的進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義。 論文的第五章對(duì)分布式控制結(jié)構(gòu)的多電平變換器的容錯(cuò)技術(shù)進(jìn)

9、行了研究，多電平變換器中元件眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致其可靠性降低，因此多電平的容錯(cuò)技術(shù)非常重要。本文通過(guò)對(duì)典型拓?fù)涞奶攸c(diǎn)和現(xiàn)有的多電平容錯(cuò)技術(shù)的分析，發(fā)現(xiàn)基于單元結(jié)構(gòu)的多電平變換器結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了多電平容錯(cuò)技術(shù)的一種內(nèi)在規(guī)律，那就是在發(fā)生故障進(jìn)行容錯(cuò)處理時(shí)，對(duì)于改進(jìn)型基本單元中的兩個(gè)開關(guān)管必須進(jìn)行聯(lián)動(dòng)處理。因此，論文提出的以基本單元結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的多電平變換器給實(shí)現(xiàn)多電平變換器的容錯(cuò)技術(shù)帶來(lái)了方便，利用模塊單元內(nèi)部的檢測(cè)電路和控制電路可以對(duì)故障進(jìn)行

10、迅速而有效的控制，防止故障的蔓延和整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓。針對(duì)飛跨電容型、級(jí)聯(lián)型和通用型等幾種具有開關(guān)狀態(tài)冗余特性的多電平變換器拓?fù)?，論文提出了基于改進(jìn)型基本單元的控制信號(hào)重構(gòu)的容錯(cuò)技術(shù)，并且以載波調(diào)制方式下的級(jí)聯(lián)型拓?fù)錇閷?duì)象提出了具體的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)方法。論文提出的容錯(cuò)方式實(shí)現(xiàn)了故障狀態(tài)下逆變器三相對(duì)稱的線電壓輸出，同時(shí)具有保持硬件結(jié)構(gòu)不變和元器件電壓電流應(yīng)力不變的優(yōu)點(diǎn)。論文得到的多電平容錯(cuò)方法的內(nèi)在規(guī)律為容錯(cuò)技術(shù)的系統(tǒng)化研究提供了指導(dǎo)，并為新的容