1、上海理工大学硕士学位论文并 联 Boost 变 换 器 的 非 线 性及 其 控 制 研 究姓 名系 别 光电信息与计算机工程学位类别/领域 电气工程研究方向 电力电子与电力传动指导教师 副教授学位论文完成日期 年 月声 明摘 要分布式电源系统的应用越来越广泛，他们被广泛应用于通信电源、飞机和船舶配电系统、电机驱动、等离子体应用和许多其他应用上面。目前流行的并联变换器技术在分布式电源设计上具有更突出的优势，他可以提高功率处理能力、可靠性和灵活性。电力电子变换器作为一个典型的非线性系统，存在各种类型的分岔与混沌等非线性动力学行为，传统的线性设计和分析方法无法准确预测。混沌是一种不稳定运行状态，混
2、沌行为的不确定性将导致系统的运行状态无法预测，从而极大的影响变换器的控制行为。因此基于对 Boost 变换器的分岔与混沌现象研究，建立并联 Boost 变换器数学模型和仿真模型，研究其混沌产生的方式和分析方法以及对混沌运行状态的控制，从而使并联 Boost 变换器工作于稳定的周期状态，实现系统的稳定运行。本文中在理论和实验上研究了峰值电流控制 Boost 变换器和并联峰值电流控制 Boost 变换器的非线性现象，变换器没有电压控制回路，只关注其在电流控制模式下的分岔与混沌现象。研究具有不平衡电感并联 Boost 变换器在参考电流和输入电压一定时，且电感电流工作在连续模式下可能产生的分岔与混沌现
3、象。每个 Boost 变换器的混沌图源于 Boost 变换器所使用的离散时间模型和迭代公式，它反映了系统的动力学行为。为了检查分析的正确性，通过Simplorer、MATLAB 仿真软件进行仿真，数学模型和电路模型仿真结果均与并联 Boost 变换器的理论预测波形高度一致。为了消除并联 Boost 变换器出现的混沌现象，本文提出了一种延迟电流反馈控制策略，通过验证新策略具有较好的抑制混沌效果和鲁棒性。与常见的斜坡补偿方法相比较，延迟电流反馈控制方法简单效果更好。分布式光伏发电并网系统通过多支路 Boost 变换器并联提高了供电质量，减小了每个模块的电应力，提高系统的功率密度，实现了分布式电源系
4、统的冗余，有利于标准化分布式电源系统，实验证明了并联 Boost 变换器在实际应用中的良好效果。关键词：Boost 变换器 并联 Boost 变换器 峰值电流控制 分岔与混沌 延迟电流反馈控制 光伏并网 ABSTRACTApplication of the distributed power system is on the rise, they are widely used in communication power supply, aircraft and marine power distribution system, motor drive, plasma application
5、s and many other applications. Currently parallel converter become popular in the power supply design technology, it has many advantages that for improving power processing capability, reliability and flexibility.Power electronic converter as a nonlinear system, parallel system of converter can beha
6、ve in many ways that are not predictable by conventional linear design and analysis methods. Chaos phenomena of the power electronic converter system, in particular, are particularly relevant problems to engineers since they directly affect reliability and the usable ranges of operation. Based on th
7、e bifurcation and chaos phenomena of the Boost converter, the parallel Boost converter mathematical model and simulation model be set up to research the generated way of bifurcation and chaos phenomenon and analytical method and its control of the chaotic running state, so that the parallel Boost co
8、nverter working in stable periodic state, achieve stable operation of the system.The thesis describes theoretical and experimental studies on the chaos phenomena of a peak current-mode controlled Boost converter, a dual two-module peak current-mode controlled DC-DC Boost converter. No voltage contro
9、l loops in converter circuit, it was focus on the chaos phenomenon of parallel Boost converter which under the current control. The parallel Boost converter bifurcation and chaos phenomena studies on reference current and input voltage have a fixed value and inductance current working in continuous
10、mode. Chaotic map for each Boost converter are derived using discrete time modelling and the numerical iteration, which reflects the dynamic behavior of the converter system. In order to check the validity of the analysis, Simplorer and MATLAB/SIMULINK models for the converters are developed. The si
11、mulation and mathematical deduction results are also compared with the bifurcation points predicted by the parallel Boost converter bifurcation diagrams, the simulated waveforms show excellent agreement.In order to eliminate the chaotic behaviour in the parallel Boost converter, this thesis first pr
12、esents a delayed current feedback control strategy scheme for it, and experimental results shown that the new strategy has good inhibition effect of chaos and robustness. Compared with common slope compensation method, the delayed current feedback control method is simple scheme and has a better per
13、formance.Distributed grid-connected photovoltaic (pv) through Multi-string in parallel Boost converter success to improve the quality of power supply, reduced the electric stress of each module, improve the power density of the system, the implementation of the distributed power system redundancy, c
14、onducive to the standardization, the distributed power system reflects the parallel Boost converter good effect in practical application.KEYWORDS: Boost converter, parallel Boost converter, peak current mode controlled, bifurcation and chaos, delayed current feedback control, pv grid-connected目 录中文摘
15、要ABSTRACT第一章 绪 论 .11.1 研究背景和来源 .11.2 分岔和混沌理论 .21.3 研究内容和架构 .3第二章 Boost 变换器的非线性现象研究 .52.1 Boost 变换器的工作原理 .52.2 Boost 变换器的迭代映射 .52.3 Boost 变换器的混沌现象 .102.4 Boost 变换器电路仿真模型 .12第三章 并联 Boost 变换器的非线性现象研究 .183.1 并联 Boost 变换器的工作原理 .183.2 并联 Boost 变换器的迭代映射 .203.3 并联 Boost 变换器的混沌现象 .273.4 并联 Boost 变换器电路仿真模型 .3
16、1第四章 并联 Boost 变换器混沌控制策略 .364.1 斜坡补偿方法 .364.1.1 斜坡补偿方法原理 .364.1.2 仿真模型 .384.1.3 仿真结论 .384.2 延迟反馈控制法 .404.2.1 延迟反馈控制法原理 .404.2.2 仿真模型 .424.2.3 仿真结论 .424.3 本章小结 .45第五章 光伏并网系统 Boost 变换器仿真分析 .465.1 光伏电池特性 .465.2 多支路光伏并网系统 .485.2.1 多支路光伏并网系统原理及结构 .485.2.2 多支路光伏并网系统模型 .495.2.3 光伏 MPPT 控制策略 .505.3 仿真结论 .51第
17、六章 结论与展望 .556.1 论文的结论和特点 .556.2 存在问题及展望 .55参考文献 .57在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .60致 谢 .61第一章 绪 论1第一章 绪 论1.1 研究背景和来源随着电力电子技术和应用的飞速发展，并联技术在分布式电源系统越来越受到人们的关注和重视。由于分布式电源大多是中小功率的模块，采用传统的集中供电不能适应其供电的特点，而并联技术正是可以将分布式电源组建大电源系统提供大功率的基础。通过并联技术连接的各个分布式电源模块可以根据不同负载的需求灵活的调整，从而提高了供电质量，减小了每个模块的电应力，提高系统的功率密度，实现了分布式电源系统
18、的冗余，有利于分布式电源系统的标准化。近年来国家部委相继出台行业发展问题和配套支持政策，鼓励分布式发电技术的发展并制定电价补贴标准如国家能源局研究的促进我国光伏产业发展的指导意见 、 分布式光伏发电示范区实施办法和电价补贴标准等 1，在电力市场中采用按质论价、优质优价的购电原则将极大地促进分布式电源的发展，分布式发电如光伏发电未来可以享受发电电价补贴政策并入国家电网、南方电网公共电网。研究并联技术适应分布式电源并网对大功率开关电源的需求，与传统技术单电源供电相比，并联技术使系统具有更多的优点，能够提高系统的可靠性，灵活的扩展性根据需求配置冗余，实现大功率、大电流、高效能，有效降低成本等。自上世
19、纪分岔与混沌理论提出后，学者对电力开关变换器中存在的分岔与混沌现象越来越重视，分析开关变换器电路中出现的非线性现象，探讨分岔与混沌产生的原因并定量的刻画其非线性行为，通过研究变换器非线性行为的本质特征，实现对分岔与混沌行为的控制、利用和克服。近年来学者已经对开关 Boost 变换器的稳态特性进行了深入的研究，但是某些动态的运行状况仍然不是完全清楚。当 Boost 变换器工作在固定的开关频率时，已经证实使用峰值电流或者平均电流控制 Boost 变换器的非线性特性，由倍周期分岔直至完全的混沌。这种分岔与混沌现象是有害的，因为它会使变换器损耗增加，并且增加不良的噪声，产生可控性的问题，可能使变换器工
20、作失败。本文研究单个 Boost 变换器、并联 Boost 变换器存在的分岔与混沌现象和其产生的影响，并提出了一个具有鲁棒性的混沌控制策略延迟反馈控制法，通过实验对比于传统的斜坡补偿法，实验证明延迟反馈控制法的控制效果更好。Boost 变换器具有两种工作模式：电流连续工作模式(Continuous conduction mode，CCM)和电流断续工作模式 (Discontinuous Conduction Mode，DCM)。本文研究在电流连续工作模式下的 Boost 变换器和并联 Boost 变换器，利用数值方法和分析技术分析研究其动态性能。数值方法采用迭代公式或数值积分方法来计算产生定量
21、的结果，尽管其很准确却不能提供直观易理解的变换器运行状况表现形上海理工大学硕士学位论文2式。分析技术既可以使用表达式变现变换器的操作，又可以定性理解其性能。一般来说，构造模型技术可以分为连续模型和离散模型。目前，最流行的连续时间模型是小信号分析，即使用状态空间平均模型。虽然平均模型在其他的应用中都取得成功，却不能精确地预测高频率系统的运行状况。离散时间模型可以精确地预测系统在高频区域的运行状况，开关变换器系统可以使用离散模型替代连续模型描述系统在高频的状态。本文主要通过构建 Boost 变换器和并联 Boost变换器的离散时间模型进行研究。DC/DC 变换器表现出的非线性现象包括在电流连续模式
22、和电流断续模式下的分岔和混沌 23，电流控制 DC/DC Boost 变换器在电流连续模式的混沌现象 4。在这些研究中，分析仅限于单个 Boost 变换器，现在并联 DC/DC 变换器经常被运用到输出电压或电流由两个或者更多的模块共同承担的情况，这样主要是为了减轻开关半导体的电压和电流压力。系统可以是并联输入、并联输出，也可以是并联输入、串联输出，这主要取决于两个模块的连接方式。文献5研究两个具有耦合电感的并联输入、并联输出 DC/DC 变换器小信号和瞬时特性，然而在文章中却并没有提及非线性动态特性。事实上尽管模块化变换器逐渐流行，但是并联变换器的非线性动态表现却很少被研究。文献6 7描述了并
23、联输入、并联输出 Boost 变换器主从模式均流控制策略，其中一个变换器有电压反馈控制；另一个有一个附加的内部电流环来提供电流误差信号，这个用来调整电压反馈信号和确保负载电流的均流效果。本文研究两个并联输入、并联输出 Boost 变换器在峰值电流控制模式下的工作性能，每个变换器都具有自己的电流反馈环路。系统中的两个 Boost 变换器均工作在电流连续模式，研究两个变换器储能电感在最大误差允许范围10%内数值变化对变换器非线性动力学行为的影响。1.2 分岔和混沌理论分岔与混沌理论最初是由 Lorenz 提出，混沌是系统固有的因素造成并不是外界干扰下所产生的，混沌是确定性系统中出现的类似随机的现象。目前主要采用的方法有定性分析法和定量分析法。定性分析法有庞加莱截面法，功率谱法等；定量分析法有饱和关联维数法和李亚普诺夫指数法等。主要研究一个或多个参数的变化对系统影响 8。在分岔与混沌理论中系统变量被定义为状态变量和控制参数，控制参数和状态变量之间的关系称为状态空间控制。在这个空间中，位置上发生分岔的点称为分岔点。平衡点或不动点的分岔问题可以分成静态分岔和动态分岔，静态分岔指
