并联型DC-DC开关变换器中的非线性行为及其控制研究

发布时间：2020-06-17 23:42

【摘要】：DC-DC变换器是构建各种类型电力电子设备的基本电路单元,其运行的稳定性和可靠性对分析电力电子变换器工作性能具有重要借鉴意义。DC-DC变换器也是一个典型的开关非线性系统,是一个包含离散和连续工作状态的混合系统。在DC-DC变换器中存在着各种形式的非线性行为,如倍周期分岔、边界碰撞分岔、共存吸引子和混沌等。分岔和混沌等行为会导致变换器电压或电流变化,发生振荡,变换器的性能改变,影响系统的正常工作。体现在变换器的电压和电流的纹波、谐波发生变化。系统承受了较大的电压和电流的应力,开关的损耗上升,变换器的效率下降,系统的可靠性下降,还会导致变换器的电磁干扰增大。在开关变换器的发展过程中,上述的影响一直存在。在非线性科学理论未应用于开关变换器的非线性行为研究之前,变换器中出现的分岔和混沌均被归结为外界干扰或设计在应用中的误差,通常直接忽略或者采取在变换器中增加滤波器等其它方法来改变变换器结构。这样的做法增大了变换器的体积,增加了器件的成本,落实到实际,效果却非常有限。近年来国内外的学者在变换器中存在的非线性现象的发现、系统的建模、利用相关软件仿真的方法、通过非线性理论进行分析和非线性行为的控制与反控制以及非线性行为的工程应用等一系列的问题展开了研究。对变换器的非线性行为的研究已经成为国内外的一个研究热点,并发展成为电力电子学和非线性动力学理论的一个重要的研究方向和分支。然而,目前研究主要集中在单个DC-DC变换器中的非线性行为的发现、刻画、分析和控制,对于并联型结构的DC-DC变换器的研究成果甚少,尤其是并联型DC-DC变换器中的非线性行为的分析和控制方面更是处于开始阶段。在电力电子电路设计中,由于大容量、大负载和低成本等方面的需要,开关变换器经常需要采用并联结构。并联型变换器可以提高大功率输出,尤其适合于分布式模块化电源系统,在各领域具有较广泛的应用。本文以并联型DC-DC变换器为研究对象,采取建模→发现→分析→控制的思路,利用数值仿真、实验验证和理论分析的方法展开了非线性动力学的研究。主要完成的工作有:(1)建立了并联型结构的DC-DC变换器的非线性研究模型。针对并联型结构的复杂性以及开关切换的连续和离散的混合性,建立了状态变量方程和离散迭代映射的模型。模型基于电路结构和工作模式,方程的解能真实反映并联型变换器的物理特性,精确反映变换器的工作状态,可用于分析并联型变换器的分岔、混沌等各种动力学行为和并联变换器的平衡点以及各周期轨道的稳定性等变换器的动力学特征。将状态变量方程与离散映射模型结合,可以全面地分析并联型变换器的非线性行为及其特性,之后的仿真和分析结果也证明了此建模方法的有效性。(2)揭示了并联型DC-DC变换器中的非线性行为并对其分析。以电压控制的并联型Buck变换器和并联型Boost变换器为例,通过数值仿真和实验验证的方法,揭示了系统参数的变化和控制电路锯齿波的频率引起的并联型变换器中丰富的非线性行为。研究发现在并联型Buck变换器中电压和电流反馈增益等参数的变化均会引发变换器发生分岔和混沌,通向混沌的主要途径是倍周期分岔。在并联型Boost变换器中,参数的变化引发变换器发生Hopf分岔后经历极限环和准周期后进入混沌。此外并联变换器中还有吸引子共存现象。在控制电路的锯齿波频率不同时并联型变换器均会发生间歇现象,出现周期和混沌的规律性交替。通过时域图和相图等方法揭示了非线性行为的特征。(3)给出了参数分岔与时间分岔的映射方法,结合非线性理论展开了并联型DC-DC变换器中的稳定性分析。以非线性动力学理论为基础对并联变换器的稳定性展开理论分析,分别从系统本身参数影响和外界干扰影响两个方面,通过并联变换器的离散迭代映射构建雅可比矩阵,计算系统的特征值,由特征值的数值分析和轨迹揭示变换器的状态和失稳特征。在分析由于干扰信号对并联变换器稳定性的影响时,揭示了耦合干扰信号也是造成并联变换器发生间歇不稳定的原因,并建立了时间分岔和参数分岔的映射关系,通过时间分岔得到了参数分岔,减少了运算量,对于并联型电路系统的稳定性理论分析是一个非常有效的手段。(4)提出了并联型DC-DC变换器中的间歇控制方法。以并联型Buck变换器和并联Boost变换器为例,采用参数共振微扰和延时反馈控制技术,对并联型变换器中的间歇不稳定实施控制,通过对控制前后功率谱的变化和相图的对比,说明控制方法的有效性。本文以并联型Buck变换器和并联型Boost变换器为例展开了建模方法、非线性行为分析和控制方法等方面的研究,研究中采用的方法和已有的结论均可推广至其它种类的并联结构的电力电子器件的非线性研究中。
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM46
【图文】：

区域,分岔,分岔现象,控制参量

＊Ｒ邋＝邋－＾邋＞邋０逡逑ｌ－ｂ逡逑因而随着控制参量＃的变化，如图２．３所示，ａ作为横轴，＆作为纵轴，根据逡逑它们的取值范围将整个平面划分成了区域１，区域２等共６个区域。图２．４给出逡逑了每个区域中不同过程的边界碰撞分岔现象。逡逑ａ造＃逡逑ｂ邋＋１逦、逡逑＾邋／邋｜逦２邋Ｍ邋／逡逑＿＿＿／邋３！逦，ｔ逡逑ｍｍｍｍ．邋ｍｍｍｍ邋——？邋ｍｍｍｍ邋—瞧＂咖＂丨丨丨＿丨＂．＾＿．丨—＞邋ｍ逦－—柋媝十表逡逑６邋Ｉ邋１逦Ｚ邋１逦％逡逑＿＿！＿１—，邋Ｉ邋：邋｜邋｜逡逑＾＞４／逦１邋丨逦２逦，逡逑／ｆ＼４邋Ｉ邋３逡逑，！邋Ｖ邋！Ｘ逡逑／逦Ｉ邋５逦１／邋＾邋＿ａ逡逑／逦｜逦ｉ逡逑图２．３邋ａ和ｂ的参数域逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ邋ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ａｎｄ邋ｂ逡逑２４逡逑

吸引子图,吸引子,力学行为,分叉图

本质》中正式提出。逡逑１９７５年，美国生态学家Ｒ．Ｍａｙ在《Ｎａｔｕｒｅ》上发表论文，阐述了如（２－１６）逡逑所示的虫口模型中的分岔和混沌等动力学行为，如图２．６所示。逡逑ｘ？＾＝；ｌ－ｘｎｉｌ－ｘｎ）逦（２－１６）逡逑０－９－逦＾１逡逑０８邋■逦／＾Ｓ逡逑０７逦Ｉ！逡逑０邋６邋■逦榞逡逑ｃｏｓ？逦Ｚ逦＼逡逑、邋／逡逑0，？逦／逦Ｉ｜逡逑0－邋／邋１逡逑°０逦０５逦１逦１．５逦２逦２５逦３逦３５逦４逡逑Ｘ逡逑图２．邋６虫口模型分叉图逡逑Ｆｉｇ．２．６邋Ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎｓｅｃｔ邋ｍｏｕｔｈ邋ｍｏｄｅｌ逡逑２７逡逑

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