【摘要】：DC-DC變換器是構(gòu)建各種類型電力電子設(shè)備的基本電路單元,其運行的穩(wěn)定性和可靠性對分析電力電子變換器工作性能具有重要借鑒意義。DC-DC變換器也是一個典型的開關(guān)非線性系統(tǒng),是一個包含離散和連續(xù)工作狀態(tài)的混合系統(tǒng)。在DC-DC變換器中存在著各種形式的非線性行為,如倍周期分岔、邊界碰撞分岔、共存吸引子和混沌等。分岔和混沌等行為會導(dǎo)致變換器電壓或電流變化,發(fā)生振蕩,變換器的性能改變,影響系統(tǒng)的正常工作。體現(xiàn)在變換器的電壓和電流的紋波、諧波發(fā)生變化。系統(tǒng)承受了較大的電壓和電流的應(yīng)力,開關(guān)的損耗上升,變換器的效率下降,系統(tǒng)的可靠性下降,還會導(dǎo)致變換器的電磁干擾增大。在開關(guān)變換器的發(fā)展過程中,上述的影響一直存在。在非線性科學理論未應(yīng)用于開關(guān)變換器的非線性行為研究之前,變換器中出現(xiàn)的分岔和混沌均被歸結(jié)為外界干擾或設(shè)計在應(yīng)用中的誤差,通常直接忽略或者采取在變換器中增加濾波器等其它方法來改變變換器結(jié)構(gòu)。這樣的做法增大了變換器的體積,增加了器件的成本,落實到實際,效果卻非常有限。近年來國內(nèi)外的學者在變換器中存在的非線性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、系統(tǒng)的建模、利用相關(guān)軟件仿真的方法、通過非線性理論進行分析和非線性行為的控制與反控制以及非線性行為的工程應(yīng)用等一系列的問題展開了研究。對變換器的非線性行為的研究已經(jīng)成為國內(nèi)外的一個研究熱點,并發(fā)展成為電力電子學和非線性動力學理論的一個重要的研究方向和分支。然而,目前研究主要集中在單個DC-DC變換器中的非線性行為的發(fā)現(xiàn)、刻畫、分析和控制,對于并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器的研究成果甚少,尤其是并聯(lián)型DC-DC變換器中的非線性行為的分析和控制方面更是處于開始階段。在電力電子電路設(shè)計中,由于大容量、大負載和低成本等方面的需要,開關(guān)變換器經(jīng)常需要采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型變換器可以提高大功率輸出,尤其適合于分布式模塊化電源系統(tǒng),在各領(lǐng)域具有較廣泛的應(yīng)用。本文以并聯(lián)型DC-DC變換器為研究對象,采取建�！l(fā)現(xiàn)→分析→控制的思路,利用數(shù)值仿真、實驗驗證和理論分析的方法展開了非線性動力學的研究。主要完成的工作有:(1)建立了并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器的非線性研究模型。針對并聯(lián)型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及開關(guān)切換的連續(xù)和離散的混合性,建立了狀態(tài)變量方程和離散迭代映射的模型。模型基于電路結(jié)構(gòu)和工作模式,方程的解能真實反映并聯(lián)型變換器的物理特性,精確反映變換器的工作狀態(tài),可用于分析并聯(lián)型變換器的分岔、混沌等各種動力學行為和并聯(lián)變換器的平衡點以及各周期軌道的穩(wěn)定性等變換器的動力學特征。將狀態(tài)變量方程與離散映射模型結(jié)合,可以全面地分析并聯(lián)型變換器的非線性行為及其特性,之后的仿真和分析結(jié)果也證明了此建模方法的有效性。(2)揭示了并聯(lián)型DC-DC變換器中的非線性行為并對其分析。以電壓控制的并聯(lián)型Buck變換器和并聯(lián)型Boost變換器為例,通過數(shù)值仿真和實驗驗證的方法,揭示了系統(tǒng)參數(shù)的變化和控制電路鋸齒波的頻率引起的并聯(lián)型變換器中豐富的非線性行為。研究發(fā)現(xiàn)在并聯(lián)型Buck變換器中電壓和電流反饋增益等參數(shù)的變化均會引發(fā)變換器發(fā)生分岔和混沌,通向混沌的主要途徑是倍周期分岔。在并聯(lián)型Boost變換器中,參數(shù)的變化引發(fā)變換器發(fā)生Hopf分岔后經(jīng)歷極限環(huán)和準周期后進入混沌。此外并聯(lián)變換器中還有吸引子共存現(xiàn)象。在控制電路的鋸齒波頻率不同時并聯(lián)型變換器均會發(fā)生間歇現(xiàn)象,出現(xiàn)周期和混沌的規(guī)律性交替。通過時域圖和相圖等方法揭示了非線性行為的特征。(3)給出了參數(shù)分岔與時間分岔的映射方法,結(jié)合非線性理論展開了并聯(lián)型DC-DC變換器中的穩(wěn)定性分析。以非線性動力學理論為基礎(chǔ)對并聯(lián)變換器的穩(wěn)定性展開理論分析,分別從系統(tǒng)本身參數(shù)影響和外界干擾影響兩個方面,通過并聯(lián)變換器的離散迭代映射構(gòu)建雅可比矩陣,計算系統(tǒng)的特征值,由特征值的數(shù)值分析和軌跡揭示變換器的狀態(tài)和失穩(wěn)特征。在分析由于干擾信號對并聯(lián)變換器穩(wěn)定性的影響時,揭示了耦合干擾信號也是造成并聯(lián)變換器發(fā)生間歇不穩(wěn)定的原因,并建立了時間分岔和參數(shù)分岔的映射關(guān)系,通過時間分岔得到了參數(shù)分岔,減少了運算量,對于并聯(lián)型電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論分析是一個非常有效的手段。(4)提出了并聯(lián)型DC-DC變換器中的間歇控制方法。以并聯(lián)型Buck變換器和并聯(lián)Boost變換器為例,采用參數(shù)共振微擾和延時反饋控制技術(shù),對并聯(lián)型變換器中的間歇不穩(wěn)定實施控制,通過對控制前后功率譜的變化和相圖的對比,說明控制方法的有效性。本文以并聯(lián)型Buck變換器和并聯(lián)型Boost變換器為例展開了建模方法、非線性行為分析和控制方法等方面的研究,研究中采用的方法和已有的結(jié)論均可推廣至其它種類的并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電力電子器件的非線性研究中。
【學位授予單位】：安徽大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TM46
【圖文】：

＊Ｒ邋＝邋－＾ 邋＞邋０逡逑ｌ－ｂ逡逑因而隨著控制參量＃的變化，如圖２．３所示，ａ作為橫軸，＆作為縱軸，根據(jù)逡逑它們的取值范圍將整個平面劃分成了區(qū)域１，區(qū)域２等共６個區(qū)域。圖２．４給出逡逑了每個區(qū)域中不同過程的邊界碰撞分岔現(xiàn)象。逡逑ａ造＃逡逑ｂ邋＋１邐、逡逑＾邋／邋｜邐２邋Ｍ邋／逡逑＿＿＿／邋３！邐，ｔ逡逑ｍｍｍｍ．邋ｍｍｍｍ邋——？邋ｍｍｍｍ邋—瞧＂咖＂丨丨丨＿丨＂．＾＿．丨—＞邋ｍ邐－—柋媝十表逡逑６邋Ｉ邋１邐Ｚ邋１邐％逡逑＿＿�。撸薄�，邋Ｉ邋：邋｜邋｜逡逑＾＞４／邐１邋丨邐２邐，逡逑／ｆ＼４邋Ｉ邋３逡逑，！邋Ｖ邋！Ｘ逡逑／邐Ｉ邋５邐１／邋＾邋＿ａ逡逑／邐｜邐ｉ逡逑圖２．３邋ａ和ｂ的參數(shù)域逡逑Ｆｉｇ．２．３邋Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ邋ｒｅｇｉｏｎ邋ｏｆ邋ａ邋ａｎｄ邋ｂ逡逑２４逡逑

本質(zhì)》中正式提出。逡逑１９７５年，美國生態(tài)學家Ｒ．Ｍａｙ在《Ｎａｔｕｒｅ》上發(fā)表論文，闡述了如（２－１６）逡逑所示的蟲口模型中的分岔和混沌等動力學行為，如圖２．６所示。逡逑ｘ？＾＝；ｌ－ｘｎｉｌ－ｘｎ）邐（２－１６）逡逑０－９－邐＾１逡逑０８邋■邐／＾Ｓ逡逑０７邐Ｉ！逡逑０邋６邋■邐榞逡逑ｃｏｓ？邐Ｚ邐＼逡逑、邋／逡逑0，？邐／邐Ｉ｜逡逑0－邋／邋１逡逑°０邐０５邐１邐１．５邐２邐２５邐３邐３５邐４逡逑Ｘ逡逑圖２．邋６蟲口模型分叉圖逡逑Ｆｉｇ．２．６邋Ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｉｎｓｅｃｔ邋ｍｏｕｔｈ邋ｍｏｄｅｌ逡逑２７逡逑

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