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世紀應(yīng)用最廣泛的技術(shù)之一，隨著電力電子技術(shù)在國民經(jīng)濟中的作用不斷增強，電力電子技術(shù)的發(fā)展也非常迅速。因此，對電力電子系統(tǒng)性能的要求，可靠性要求等愈來愈高。本文系統(tǒng)深入地研究了在功率變換器內(nèi)部實現(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)成及控制實現(xiàn)提出了一種新的思路，對于實現(xiàn)新型變換器、簡化復(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。 論文第一章對電力電子系

2、統(tǒng)的集中式控制方式進行了歸納和總結(jié)。同時，還對分布式變換器結(jié)構(gòu)研究的背景進行了概述，主要包括數(shù)字控制技術(shù)在電力電子中越來越廣泛的應(yīng)用及電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)的迅速發(fā)展。通過與傳統(tǒng)的集中式控制結(jié)構(gòu)的功率變換器的對比可以得出：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其特點進行了闡述。根據(jù)仿生學(xué)在電力電子中應(yīng)用的基本觀點，通過對分布式電力電

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)越性為可以簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高系統(tǒng)可靠性、便于實現(xiàn)容錯技術(shù)、易于進行模塊化和系統(tǒng)的在線維護等。根據(jù)分布式電力電子系統(tǒng)的特點，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)建了電力電子細胞的實驗室原型，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電力電子細胞構(gòu)成的雙環(huán)反饋控制的單相全橋逆變器為典型對象進行了深入的探討和研究。通過對控制環(huán)節(jié)進行不同方式的劃分，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)。在對逆變器模型進行理論分析的基礎(chǔ)上，論文對模塊間參數(shù)分散性、啟動時刻的不同步、多速率采樣、數(shù)據(jù)通信、參考信號和載波信號的不同步等方面對系統(tǒng)的影響進行了理論分析，并通過仿真和實驗驗證了分析結(jié)果

5、。通過研究發(fā)現(xiàn)，對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)的分散性對系統(tǒng)性能的影響顯著，而其它參數(shù)的微小的差別對系統(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，同步結(jié)構(gòu)下的兩個電壓環(huán)不同時啟動容易造成系統(tǒng)輸出的畸變，因此不適合于實際應(yīng)用。對于其它幾個非理想因素，論文的研究表明，適當設(shè)計參數(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)下兩個模塊間不存在直接的信息交換，比其它結(jié)構(gòu)更加簡單，更適合構(gòu)造復(fù)雜系統(tǒng)，論文專門分析了其特點并給出了它的實現(xiàn)方式以及實驗波形。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，而且研究內(nèi)容和獲得的結(jié)論為分布式控制在其它拓撲中的實現(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象進行了深入的研究。論文在多電平拓撲基本單元思想現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，進一步對多電平變換器的硬件結(jié)構(gòu)的劃分進行了

7、研究，根據(jù)幾種典型的多電平拓撲的特點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型的基本單元，不但可以適用于絕大多數(shù)多電平拓撲，而且符合同一基本模塊的兩個開關(guān)管互補工作的關(guān)系，方便了變換器的構(gòu)成和控制的實現(xiàn)。論文分別構(gòu)建了通用型拓撲和級聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)的分布式五電平變換器實驗裝置，實驗裝置的結(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)簡單，相互連線清楚且較短，系統(tǒng)可靠性提高等優(yōu)點。論文還通過理論分析得

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)，模塊間可以達到很高的同步精度，分析、仿真和實驗表明，在這種精度下模塊間的同步誤差給輸出波形帶來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)點的同時完全可以達到傳統(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多電平變換器的進一步推廣應(yīng)用具有重要意義。 論文的第五章對分布式控制結(jié)構(gòu)的多電平變換器的容錯技術(shù)進

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，因此多電平的容錯技術(shù)非常重要。本文通過對典型拓撲的特點和現(xiàn)有的多電平容錯技術(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)了多電平容錯技術(shù)的一種內(nèi)在規(guī)律，那就是在發(fā)生故障進行容錯處理時，對于改進型基本單元中的兩個開關(guān)管必須進行聯(lián)動處理。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現(xiàn)多電平變換器的容錯技術(shù)帶來了方便，利用模塊單元內(nèi)部的檢測電路和控制電路可以對故障進行

10、迅速而有效的控制，防止故障的蔓延和整個系統(tǒng)的癱瘓。針對飛跨電容型、級聯(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撲，論文提出了基于改進型基本單元的控制信號重構(gòu)的容錯技術(shù)，并且以載波調(diào)制方式下的級聯(lián)型拓撲為對象提出了具體的重構(gòu)實現(xiàn)方法。論文提出的容錯方式實現(xiàn)了故障狀態(tài)下逆變器三相對稱的線電壓輸出，同時具有保持硬件結(jié)構(gòu)不變和元器件電壓電流應(yīng)力不變的優(yōu)點。論文得到的多電平容錯方法的內(nèi)在規(guī)律為容錯技術(shù)的系統(tǒng)化研究提供了指導(dǎo)，并為新的容