论文部分内容阅读
电力电子变换器作为一类典型的开关非线性系统，长期以来，由于认识上的局限性，变换器的建模和分析一直沿用线性系统的思路，这导致变换器许多特性不能被深刻认识。此外，以往主要是从拓扑结构的角度去研究变换器的运行性能。事实上，电力电子变换器作为一类控制系统，应该从能控性、能达性、能观性、稳定性和输出能控性的角度构建其理论分析框架，由此才能提出变换器综合设计方法和优化控制方法，从而电力电子技术作为一门学科才显得完整和成熟。
为此，本文尝试从控制系统认识发展的角度：线性系统、非线性系统到混杂系统，将电力电子变换器视为一类同时包含连续状态变量和离散开关变量的混杂动态系统，即切换线性系统；以DC-DC变换器作为主要研究对象，从模型建立到系统控制基础理论研究，构造出一整套基本完整的系统分析理论，以弥补电力电子变换器基础理论研究的不足。论文提出并开展以下工作：
一是DC-DC变换器切换线性系统的建模理论。针对DC-DC变换器的拓扑结构以及工作特点，给出切换线性系统的定义和标准型，研究切换线性系统理论对DC-DC变换器建模的普适性。建立基本DC-DC变换器不同运行模态、不同电路参数情况下的切换线性系统模型；建立隔离型变换器、三电平变换器以及谐振变换器的切换线性系统模型，从而得到DC-DC变换器切换线性系统模型建模的一般方法，提出DC-DC变换器切换线性系统的建模理论。
二是DC-DC变换器切换线性系统模型与现有模型的延续性及一般性研究，从而探讨DC-DC变换器切换线性系统模型的一般意义。引入矩阵系数多项式插值法，对DC-DC变换器切换线性系统模型进行插值运算，得到一类连续变量与离散变量直接关联的线性系统。研究表明，著名的状态空间平均模型是该线性系统的一个特例，并提出“面积定则”原理。稳态分析和仿真结果证明了该线性系统的有效性和实用价值，因此DC-DC变换器切换线性系统模型具有一般意义。
三是DC-DC变换器切换线性系统能控性、能达性和稳定性理论研究。能控性、能达性和稳定性是保证变换器稳定工作的前提条件和必要条件。基于切换线性系统能控性、能达性和稳定性理论，提出DC-DC变换器能控性、能达性和稳定性的定义，并从数学模型上严格证明DC-DC变换器的能控性、能达性和稳定性；根据PWM控制DC-DC变换器的特点，提出变换器一个周期之后和多周期的能控性和能达性，使得对DC-DC变换器的研究，从以往的拓扑研究上升到系统理论研究的高度，形成DC-DC变换器的能控性、能达性和稳定性研究理论。以单周期控制Boost变换器作为能控性分析的应用实例，基于系统控制理论严格证明单周期控制在BoostPFC变换器中的适用性，为新型控制理论与技术在变换器中应用的普适性研究提供一种理论分析方法。
四是DC-DC变换器切换线性系统能观性理论研究。能观性是构造系统状态观测器，实现系统状态反馈控制的基石。基于切换线性系统的能观性理论，提出DC-DC变换器的能观性定义，并从数学模型上严格证明DC-DC变换器的能观性；根据PWM控制DC-DC变换器的特点，提出变换器一个周期之后和多周期的能观性，形成DC-DC变换器的能观性研究理论，为变换器构造状态反馈控制奠定理论基础。
五是DC-DC变换器切换线性系统输出能控性理论研究。输出能控性是系统控制理论中的一个重要概念，它是能观性的前提条件和必要条件，也有别于状态能控性。基于切换线性系统输出能控性理论，从系统控制理论的角度提出DC-DC变换器的输出能控性理论，基于数学模型严格证明DC-DC变换器的输出能控性；根据PWM控制DC-DC变换器的特点，提出变换器一个周期之后和多周期的输出能控性，形成DC-DC变换器的输出能控性研究理论。理论分析和实验结果均表明，从工程实践中提炼出的基本DC-DC变换器具有很好的输出能控性。
六是DC-DC变换器切换线性系统新型切换控制器研究。在切换线性系统理论中，切换序列描述了切换模式的演化规律，切换控制器实现了切换序列。目前，切换控制器的设计已经成为切换线性系统中的一个研究热点，还没有一种通用的设计方法。将一类特殊的DC-DC变换器切换线性系统模型简化为双线性系统模型，利用双线性系统稳定性理论，提出DC-DC变换器中切换控制器的一种设计方法。双线性Boost变换器作为分析对象，采用新型切换控制器的Boost变换器表现出良好的输出调节特性，仿真分析和实验结果验证了新型切换控制器的有效性。