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双向DC-DC变换器混杂控制研究

作　者: 鲁思兆
导　师: 陈宏钧
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 双向DC-DC变换器 系统建模 能控性 能观性 混杂控制
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


双向DC-DC变换器,可实现能量变换的双象限运行,在能量需要双向流动的场合,可以大幅减轻系统的体积、重量及成本,因此在电动汽车、储能系统、分布式发电、电能质量调节、可再生能源发电等领域具有广阔的应用前景。然而在双向DC-DC变换中,由于功率器件工作在开关状态,因而使得电路的拓扑不再固定不变,而是随着开关状态的变化而变化,因此双向DC-DC变换器是一类典型的混杂系统——切换线性系统,由连续子系统和离散子系统相互耦合而成。传统的建模和控制方法没有考虑双向DC-DC变换器固有的混杂特性,因此具有明显的局限性。本文研究了双向DC-DC变换器的系统结构,根据能量流动方向的不同分为Buck和Boost两种工作方式,再根据拉格朗日和哈密尔顿方程分别建立变换器的数学模型。在建立系统模型的基础上,引入切换线性系统理论,从系统论的角度分析两种工作方式下系统的能控性和能观性。针对双向DC-DC变换器的混杂特性,根据混杂自动机理论建立变换器在Buck和Boost两种工作方式下的混杂自动机模型,从而将控制算法的设计转换为混杂自动机边界条件的选取,而边界条件的选取采用电路理论法。在MATLAB/Stateflow仿真实验平台上对混杂控制算法进行了仿真,其结果说明所设计的控制算法具有良好的控制性能。本文最后设计了一台双向DC-DC变换器实验样机,然后利用此样机对混杂控制算法进行了验证。实验结果表明,本文所设计的混杂控制算法能够实现电感电流连续(CCM)和电感电流断续(DCM)全范围内的稳定运行,同时对负载扰动和输入电压扰动具有出色的抑制能力。控制算法结构简单,计算量小,易于硬件实现。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 课题背景  9-13
    1.1.1 双向DC-DC变换器概述  9-11
    1.1.2 DC-DC功率变换器混杂控制研究的意义  11-13
  1.2 国内外研究现状  13-20
    1.2.1 双向DC-DC变换器拓扑研究现状  13-16
    1.2.2 DC-DC变换器控制理论研究现状  16-20
  1.3 论文主要研究内容  20-22
第2章 双向DC-DC变换器的系统建模  22-32
  2.1 引言  22-23
  2.2 基于拉格朗日方程的双向DC-DC变换器建模  23-27
    2.2.1 Buck模式下的系统模型  23-25
    2.2.2 Boost模式下的系统模型  25-27
  2.3 基于哈密尔顿方程的双向DC-DC变换器建模  27-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章 双向DC-DC变换器的能控性和能观性分析  32-42
  3.1 引言  32-34
  3.2 Buck模式下的系统能控性和能观性分析  34-38
  3.3 Boost模式下的系统能控性和能观性分析  38-41
  3.4 本章小结  41-42
第4章 双向DC-DC变换器的混杂控制研究  42-62
  4.1 混杂自动机理论  42
  4.2 Buck工作方式下的混杂自动机及其控制器设计  42-50
    4.2.1 电感电流连续模式  44-46
    4.2.2 电感电流断续模式  46-49
    4.2.3 基于MATLAB/Stateflow的控制系统仿真  49-50
  4.3 Boost工作方式下的混杂自动机及其控制器设计  50-59
    4.3.1 电感电流连续模式  52-54
    4.3.2 电感电流断续模式  54-56
    4.3.3 基于MATLAB/Stateflow的控制系统仿真  56-59
  4.4 混杂控制算法与传统PI算法的比较  59-61
  4.5 本章小结  61-62
第5章 双向DC-DC变换器系统设计与实物实验  62-88
  5.1 引言  62
  5.2 总体设计  62-64
  5.3 硬件电路设计  64-79
    5.3.1 主电路参数设计  64-65
    5.3.2 各部分硬件电路设计  65-79
  5.4 软件设计  79-82
  5.5 实验结果及分析  82-87
    5.5.1 Buck工作方式下的实验结果及分析  82-83
    5.5.2 Boost工作方式下的实验结果及分析  83-86
    5.5.3 能量双向流动实验  86
    5.5.4 综合分析  86-87
  5.6 本章小结  87-88
结论  88-89
参考文献  89-94
附录1 混杂控制算法的DSP程序  94-97
攻读学位期间发表的学术论文  97-99
致谢  99

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 变流器
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