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双向直流变换器混杂系统边界条件研究

作　者: 吕京航
导　师: 陈宏钧
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 混杂系统系统建模全局能控性能量法电路法
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

双向直流变换器是直流变换器的双向限运行,能够实现能量的双向流动,由于其一机两用的特性,所以能够大幅度降低系统的体积,重量及其成本具有极高的研究价值。在航空航天,电动车,备份电源,分布式发电,可再生能源发电等领域都有广阔的应用前景。同时在电子电路中,开关器件的使用使得电路的拓扑结构不再固定,因此电力电子电路是典型的线性切换系统也就是混杂系统。本文首先研究了双向直流变换器的系统结构,将双向直流变换器分为Buck工作模式和Boost工作模式。依据基尔霍夫电压电流定律,建立双向直流变换器的数学模型,同时在此基础上对系统的电感电流连续和电感电流断续模式进行能控性分析。基于混杂系统理论,建立双向直流变换器的混杂自动机模型,将开关变化器的控制问题简化为混杂自动机模型的边界选择问题,该模型中没有任何的假设和线性近似,分别采用电路法和能量法设计混杂系统边界条件的控制算法。在电路法中分别研究了电感电流连续模式下和电感电流断续模式下双向直流变换器混杂系统边界条件。在能量法中,依据能量守恒原则,引入参考电压和参考电流的概念,分析其在电感电流断续下的混杂系统的边界条件。分别采用Matlab的SimpowerSystem工具箱和Stateflow工具箱对两种控制算法进行仿真,通过仿真结果证明两种算法对控制的有效性。最后,在双向直流变换器的试验样机中对控制算法进行验证。实验结果表明混杂系统边界条件的选取的有效性。在电感电流连续和电感电流断续模式系统都能有效的运行,同时算法对负载和输入电压的扰动都有很好的抑制作用。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-16
  1.1 研究背景  8-11
    1.1.1 双向直流变换器概述  8-10
    1.1.2 混杂系统理论  10-11
    1.1.3 电力电子电路的混杂特性  11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 双向直流变换器研究现状  11-13
    1.2.2 混杂系统在电力电子中的研究现状  13-14
    1.2.3 混杂系统边界条件研究现状  14
  1.3 论文的主要内容  14-16
第2章双向直流变换器的数学建模  16-22
  2.1 引言  16
  2.2 基于状态空间平均法的双向直流变换器建模  16-21
    2.2.1 状态空间平均法原理  16-18
    2.2.2 Boost 模式下的状态空间模型  18-19
    2.2.3 Buck 模式下的状态空间模型  19-21
  2.3 本章小结  21-22
第3章双向直流变换器的能控性分析  22-29
  3.1 切换线性系统相关定理概述  22-24
    3.1.1 平面仿射非线性系统的全局能控性  22-24
  3.2 BOOST 变换器的能控性分析  24-26
  3.3 BUCK 变换器的能控性分析  26-28
  3.4 本章小结  28-29
第4章双向直流变换器混杂系统边界条件研究  29-61
  4.1 混杂自动机理论简介  29-30
  4.2 基于电路法的BOOST 混杂边界条件设计  30-40
    4.2.1 Boost 模式开关控制策略  31-36
    4.2.2 系统仿真与结果分析  36-40
  4.3 基于电路法的BUCK 混杂边界条件设计  40-49
    4.3.1 Buck 模式开关控制策略  42-46
    4.3.2 系统仿真与结果分析  46-49
  4.4 基于能量法的BOOST 混杂边界条件设计  49-55
    4.4.1 Boost 模式控制策略  50-52
    4.4.2 系统仿真与结果分析  52-55
  4.5 基于能量法的BUCK 混杂边界条件设计  55-60
    4.5.1 Buck 模式控制策略  56-57
    4.5.2 系统仿真与结果分析  57-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章双向直流变换器实物实验  61-70
  5.1 引言  61
  5.2 双向直流变换器的硬件平台  61-64
    5.2.1 系统参数  61-62
    5.2.2 硬件电路设计  62-64
  5.3 系统软件设计  64-65
  5.4 实验结果  65-69
    5.4.1 Buck 工作下的实验结果  65-68
    5.4.2 Boost 工作下的实验结果  68
    5.4.3 Boost 方式下超级电容实验结果  68-69
    5.4.4 双向直流变换器实验  69
  5.5 本章小结  69-70
结论  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  74-76
致谢  76

双向直流变换器混杂系统边界条件研究

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