基于直流母线电压调节器的级联系统稳定控制技术研究

摘要

近年来，电力电子级联系统在学术研究领域和工业应用中获得了广泛的关注。由于具有高带宽的控制特性，负载侧电力电子变换器所固有的恒功率负阻抗特性可能导致级联系统直流母线电压的振荡，从而波及系统稳定运行。本文从电力电子级联系统稳定性的角度出发，在明确提升级联系统直流母线电压动态性能及稳定性的补偿机理的基础上，通过建立统一的补偿指标，设计抑制直流母线电压振荡的有效控制策略，改善电力电子级联系统稳定性。
　　本文首先介绍了级联系统中常用的稳定性判据以及直流母线电压稳定控制技术的发展现状和主要研究方向，确定了本文的主要研究内容。之后，通过Buck变换器小信号数学模型推导建立移相全桥电路数学模型，求取所需传递函数，并设计移相全桥电路的闭环控制系统，建立了级联系统前后级阻抗模型。以Middlebrook提出的阻抗分析方法为基础，同时采用更加直观的ESAC判据作为分析级联系统稳定性的方法，讨论引起电力电子级联系统直流母线电压发生振荡的根本原因。
　　其次，论文对电力电子级联系统直流母线电压的稳定控制策略进行研究。设计了在直流母线上并联直流母线电压调节器(DC Bus Voltage Conditioner，DBVC)的方法，并将DBVC分别控制成受负载电流交流分量控制的电流源、虚拟电阻和虚拟电容;同时，还采用自身有源控制的方法，也分别控制成虚拟电阻和虚拟电容;由于采用有源控制会影响后级变换器的控制性能，因此将并联的DBVC和有源控制相结合，共同改善直流母线电压稳定性;在仔细研究级联系统拓扑结构后，设计集成式的直流母线电压调节器(Integrated DC Bus Voltage Conditioner，IDBVC)，在减少了开关管数量的同时，有效提高功率密度、降低了损耗。通过建立的敏感度函数分析比较多种控制策略对直流母线电压振荡的抑制作用，并对上述控制策略进行频域分析，结合相关稳定性判据验证其合理性。
　　在Matlab/Simulink仿真软件中搭建级联系统仿真模型，通过观察时域波形及其变化趋势，并结合前文的理论分析，对所设计的直流母线稳定控制策略进行时域仿真验证。结果表明，理论分析与仿真结果良好的吻合，证明了控制策略准确有效。
　　最后对本文所设计的直流母线稳定控制策略进行实验验证，设计以STM32F407为核心的控制系统，基于搭建的实验平台，对仿真波形进行验证，实现了仿真波形与实验波形的一致。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题研究的背景和意义

1．2．1级联系统稳定性判据

1．2．2级联系统稳定控制技术研究现状及发展方向

1．3本文的主要研究内容

第2章级联系统建模与稳定性分析

2．1移相全桥变换器建模

2．2移相全桥电路补偿网络的设计

2．3级联系统阻抗模型

2．3．1移相全桥变换器闭环输入导纳

2．3．2直流侧输出阻抗

2．3．3敏感度函数

2．4级联系统稳定性分析方法

2．4．1阻抗分析方法

2．4．2 ESAC判据

2．5级联系统稳定性分析

2．6本章小结

第3章直流母线稳定控制策略的研究

3．1将DBVC控制成受控电流源

3．1．1控制成受控电流源的基本原理

3．1．2 DBVC建模

3．1．3 DBVC参数计算

3．1．4 DBVC闭环设计

3．1．5闭环输入导纳推导

3．2．1将DBVC控制成虚拟电阻

3．2．2基于虚拟电阻的有源控制策略一

3．2．3基于虚拟电阻的有源控制策略二

3．2．4 DBVC与有源控制结合的虚拟电阻控制策略

3．2．5敏感度函数

3．3．1将DBVC控制成虚拟电容

3．3．2基于虚拟电容的有源控制策略

3．3．3 DBVC与有源控制结合的虚拟电容控制策略

3．3．4敏感度函数

3．4集成的直流母线电压调节器

3．5本章小节

第4章直流母线稳定控制策略仿真

4．1基于受控电流源形式的DBVC仿真验证

4．2．1基于虚拟电阻形式的DBVC仿真验证

4．2．2基于虚拟电阻的有源控制仿真

4．2．3基于两种虚拟电阻方法结合的控制策略仿真

4．3基于虚拟电容形式的控制策略仿真

4．4基于IDBVC仿真

4．5本章小结

第5章级联系统软硬件的设计

5．1主电路器件的选型

5．2控制电路的设计

5．2．1采样电路的设计

5．2．2保护电路的设计

5．2．3通讯电路的设计

5．3驱动电路的设计

5．4．1主程序设计

5．4．2数字控制方法

5．4．3移相控制的实现

5．5实验环境及波形分析

5．6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文和取得的科研成果

致谢