buck三电平直流变换器的双闭环控制设计

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1、重庆大学硕士学位论文1绪论1绪论1.1研究背景和研究意义能源是推动社会不断进步的动力，能源发展是经济发展的缩影。电能作为一种高效清洁能源，被广泛的应用于生活和工业生产中。因此通过对电能的开发和利用，人类社会进入了发达的工业化、信息化阶段。但是如何科学合理高效地配置和使用电能，仍是目前有待解决的问题。电力电子技术便是解决上述问题的有效手段。近几十年来，电力电子技术在提高能源利用率、提升电源性能、消除电力公害、减小电磁干扰等方面取得了非常大的进展。随着功率半导体器件和超大规模数字集成电路设计技术的飞速发展，新的电路拓扑结构和控制技术不断被提出并且在实际中获得应用。“十二五”是我国工业化和城

2、市化发展的关键时期，也是我国能源实现战略转型、推进科学发展的关键时期，电力电子学科对能源的发展[1]和社会进步将产生广泛的影响和巨大的作用。目前，随着电力电子技术的发展，电力电子器件的发展也取得了长足的进步，特别是单管电力电子器件已经达到了很高的水平。在中小功率场合，现有的电力电子器件已能满足基本的要求。但是，在一些比较特殊的大功率场合，电力电子器件仍然不能满足应用要求。采用GTO器件或IGBT器件的串联方式可以实现传统的两电平变换器结构在高电压大功率场合的应用，但是由于不能保证器件触发脉冲的完全一致，同时关断或开通串联的多个器件，会带来器件间动态均压等问题，严重地降低系统的可靠性。因

3、此，多电平变换器在高压大功率领域受到越来越多的关注。多电平变换器主要采用器件箝位或输出串联等方式将低压的功率开[2-3]关器件连接在一起，实现高电压、大容量。相对传统的两电平变换器，多电平变换器的主要优点在于：单个器件承受电压应力小，更容易实现高压大容量；能够改善输出电压电流谐波性能；采用合适的控制策略能保证系统更加可靠地运行。正是由于多电平变换器引起社会的广泛关注，使得对多电平变换器进行建模与控制，分析系统的动态特性等具有重要的意义。目前，为实现多电平变换器的稳定工作，在实际应用中，一般采用PWM和交错技术对多个开关管进行控制。但是该控制方法有其缺陷，即它的控制性能过度依赖于系统参数

4、。在系统受到外部瞬态或持续扰动时，系统参数会随之改变，甚至会出现参数不匹配的情况，这样控制性能将大大降低。随着对功率变换器的动态特性和稳定性要求日益增高，为了提高和改善系统的稳定性，抗负载扰动及参数摄动，快速性等，现代控制理论逐渐被引入到电力电子系统中来。目前国际上在这方面的研究正处于起步的状态，1重庆大学硕士学位论文1绪论已取得的成果显示：电力电子学与现代控制理论紧密结合、相互渗透将是一个极[4-5]具生命力的发展方向。1.2三电平直流变换器研究现状[6]自1980年由A.Nabae等人提出三电平逆变器后，学者将三电平逆变器的概念应用于直流变换器中，得到三电平直流变换器（TL变换器）

5、。从此，三电平直流变换器得到快速的发展，在1992年，MeynardTA和FochH在IEEE电力电子专家会议（PESC）中不仅提出了飞跨电容型多电平逆变器，还提出了几种非隔离的飞跨电[7]容型多电平直流变换器，其中包括非隔离的飞跨电容型三电平直流变换器。同年，巴西的PinheiroJR和BarbiI在IEEE工业电子学与控制仪器国际会议（IECON）上[8]提出了三电平直流变换器的概念。三电平直流变换器是一种新型的开关变换器，其单个开关管器件承受电压应[9]力小，非常适用于高输入电压、输出功率大的应用场合。三电平直流变换器大致可以分为两类：一类是隔离型三电平直流变换器，包括Flyba

6、ck、Forward、半桥和推挽三电平直流变换器。另一类是非隔离型三电平直流变换器。①隔离型三电平直流变换器文献[10-13]分别提出的Flyback、Forward、半桥和推挽三电平直流变换器，这些变换器虽然都可以降低开关管的电压应力，但都不能减小输出滤波器。②非隔离三电平直流变换器在文献[14]提出的三电平直流变换器电路拓扑，包括Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta等6种非隔离的TL变换器以及全桥TL变换器和复合全桥TL变换器[15]也具有单个器件电压应力小、滤波器件体积小等优良特点。但是这些三电平直流变换器的输入输出是不共地的，这个缺点限制了它

7、们的应用范围。因此在文献[16]中首先引入飞跨电容的概念，然后通过对非隔离的三电平直流变换器进行改进，使其输入与输出共地。这样改进后的三电平直流变换器不仅保留了未共地的三电平直流变换器的优点，而且又具备输入输出共地的这个优点，从而扩大了该三电平直流变换器的应用范围。输入输出共地的三电平直流变换器与传统的直流变换器相比，具有以下优点：开关管的电压应力为输入电压的一半，大大改善了开关管的工作条件，有利于选[17]择合适的开关管且能延长开关管的使用寿