论文：基于李雅普诺夫稳定性的电力电子拓扑控制

论文：基于李雅普诺夫稳定性的电力电子拓扑控制
（此论文图片被略）

摘 要

随着电力电子技术的发展，人们在生产和生活中广泛用到各种各样的电源，这些电源分为两种，即交流电源和直流电源。交流电可以通过变压器高效地、方便地改变电压，但是直流电源就没那么容易，随着上个世纪80年代后期，全控型电力电子器件的推广应用将直流电源的调压技术带入了新的天地。全控型电力电子器件在直流电源的运用催生了直流斩波器的出现，即是直流-直流变换器(DC-DC变换器)的出现。
DC-DC变换器是一种强非线性系统，因此，常规的控制算法已经无法得到满意的效果，而控制的快速性又使得复杂的算法难以实现，所以，必须找寻一种简 单的控制算法应用在DC-DC变换器控制系统中。本文，我们将李雅普诺夫直接法作为这样的简单控制算法进行研究。基于状态空间平均法对单管不隔离DC-DC变换器中三种变换器在电感电流连续导通（CCM)模式下建立数学模型，这三种DC-DC变换器为Cuk、Sepic和Zeta变换器。随后，基于它们的数学模型，分别建立在CCM模式下李雅普诺夫直接法的控制模型。最后，运用Matlab/Simulink仿真软件对李雅普诺夫直接法的控制模型与传统PI控制模型进行仿真，根据两个控制方式的仿真波形分析，李雅普诺夫直接法作为Cuk、Sepic和Zeta变换器系统的控制方法，变换器系统具有较强的动静态性能、鲁棒性和抗扰动性。将李雅普诺夫直接法运用到DC-DC变换器拓扑控制中是可靠的。


关键词 电力电子技术，李雅普诺夫直接法，DC-DC变换器，Matlab/Simulink仿真

ABSTRACT

With the development of power electronic technology, widely used in a variety of power in production and daily life, the power is divided into two types, namely, AC and DC power supply. Alternating current through transformer efficiently, conveniently to
……（新文秘网https://www.wm114.cn省略1509字，正式会员可完整阅读）……　
ance, robustness and disturbance of strong. Will Lee Yap Andrianof direct method is applied to the DC-DC converter topology control is reliable.


Key words power electronic technology, Lee Yap Andrianof direct method, DC-DC converter, Matlab/Simulink simulation


目 录

摘 要 I
ABSTRACT II

1 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 DC-DC变换器的发展与应用 1
1.3 DC-DC变换器的分类 2
1.4 DC-DC变换器的建模方法 2
1.5 DC-DC变换器的控制方法 3
1.6 论文的主要任务及章节结构安排 4
2 DC-DC变换器的建模 6
2.1 状态空间平均法简介 6
2.1.1状态空间平均法概要 6
2.1.2 状态空间平均法的建模的条件 6
2.1.3 运用状态空间平均法的步骤 6
2.2 Cuk变换器的建模 8
2.2.1 cuk变换器简介 8
2.2.2 CCM模式下Cuk变换器的建模 9
2.3 Sepic变换器的建模 10
2.3.1 Sepic变换器简介 10
2.3.2 CCM模式下Sepic变换器的建模 11
2.4 Zeta变换器的建模 12
2.4.1 Zeta变换器简介 12
2.4.2 CCM模式下Zeta变换器的建模 13
2.5 小结 14
3 李雅普诺夫稳定性分析 15
3.1 李雅普诺夫意义下的稳定性 15
3.2李雅普诺夫稳定性判据 16
3.3 小结 17
4 DC-DC变换器的Lyapunov直接法建模与仿真 18
4.1 Matlab/Simulink简介 18

4.1.1 Matlab概述 18
4.1.2 Simulink概述 19
4.2 Cuk变换器的Lyapunov直接法建模与仿真 19
4.2.1 CCM模式下Cuk变换器的Lyapunov直接法建模 19
4.2.2 数值仿真验证 21
4.3 Sepic变换器的Lyapunov直接法建模与仿真 25
4.3.1 CCM模式下Sepic变换器的Lyapunov直接法建模 25
4.3.2 数值仿真验证 26
4.4 Zeta变换器的Lyapunov直接法建模与仿真 30
4.4.1 CCM模式下Zeta变换器的Lyapunov直接法建模 30
4.4.2 数值仿真验证 32
4.5 小结 36
结 论 37
参考文献 38
致 谢 39








1 绪论

1.1 课题背景
随着电力电子技术的飞速发展，其应用范围越来越广泛，它不仅广泛应用于通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统，还在照明、空调等家用电器及其他领域中也有广泛的使用。社会各行各业的快速发展，使得电力电子技术必须要更大的突破，以适应社会发展对技术的高性能要求。通常的电力有直流和交流两种，它们的应用现在往往不是单独使用，而是相互交叉，若公众想得到交流电力，那只能从公用电网直接得到；想得到直流电力，那只能从蓄电池和干电池得到。这样单一的电力来源不能直接满足公众对电力的要求，电力变换器的出现解决了这个问题。电力变换器分为四种，即AC-DC、DC-AC、DC-DC和AC-AC。本文以DC-DC变换器为研究对象。

DC-DC变换器是一种强非线性系统，系统的正常工作必须要有稳定的电流输入和稳定的电压输出，在这样的条件下，传统的系统控制算法已经无法取得满意的效果，而控制的快速性使得复杂的算法又无法实现。基于小信号的线性化模型难以真实地反映系统的物理特性，很难再进一步提高系统的各种性能，仅仅从线性近似化和确定化运动的角度分析DC-DC变换器是远远不够的，所以必须寻求一种简单可靠的非线性控制技术控制DC-DC变换器已成为当务之急。
本文旨在寻求一种有效的非线性控制技术，实现DC-DC变换器的高效能变换，进一步促进非线性控制技术与DC-DC变换器的发展。


1.2DC-DC变换器的发展与应用
人们在生产和生活中需要用到各种各样的电源，而且要求电源电压根据不同的场合和不同的设备可以调节。交流电可以用变压器实现高效与方便地改变电压；而直流电在改变电压却非常的困难，特别在大功率电路中。直流电路如何高效、方便地调压的问题一直持续了几十年一直无法解决。直到20世纪80年代后期，全控型电力电子器件的推广运用，给直流调压技术开辟了崭新的时代。
DC-DC变换器是将直流电源的恒定直流电压，通过电力电子器件的开关作用，变换为可调直流电压的装置，DC-DC变换器又称直流斩波电路，它具有效率高、体积小、重量轻、成本低的优点。现在广泛应用于直流牵引变速拖动中，如由直流电网供电的电气化铁路、地铁车辆、城市无轨电车和蓄电池供电的电动自行车、电动汽车等；DC-DC变换器还广泛应用于可调直流开关电源和电池供电的设备中，如通信电源、笔记本电脑、计算机主板、远程控制器和手机等。
在早期的DC-DC变换器采用晶闸管作为开关器件，称为晶闸管DC-DC变换器。由于普通的晶闸管没有自关断能力，所以，如何使已经导通的晶闸管可靠关断，是晶闸管DC-DC变换器能否正常工作的关键。因此在普通的晶闸管DC-DC变换器中，必须设置强迫换流关断电路，这样增加了复杂程度，影响了DC-DC变换器的性能。
和早期的DC-DC变换器相比，现在的DC-DC变换器采用了全控型电力电子器件，省去了换流关断电路，提高了变换器的频率。提高频率可以减少低频谐波分量，降低对滤波元器件的要求，减少了体积和重量。随着电力电子新器件的不断发展，DC-DC变换器将广泛运用于工业和家庭生活中去。


1.3DC-DC变换器的分类
DC-DC变换器在电力电子技术中扮演的角色越来越重要，它发展出来的种类也越来越多。按DC-DC变换器中输入与输出有无电气隔离，分为不隔离和隔离两类。不隔离的DC-DC变换器又按它所用功率开关的个数，分为单管、双管和四管三类。单管不隔离DC-DC变换器又分为降压式（Buck）、升压式（Boost）、升降压（Buck-Boost）、库克（Cuk）、瑞泰（Zeta）和赛皮克（Sepic）变换器六种。双管DC-DC变换器双管串接的升降压式（Buck-Boost）变换器。四管DC-DC变换器有桥式变换器，它是最常用的。
有隔离的DC-DC变换器中，单管、双管、四管DC-DC变换器按所用功率开关数量分，单管DC-DC变换器分为正激式和反激式两种，双管DC-DC变换器分为双管正激、双管反激、推挽和半桥四种，四管DC-DC变换器只有全桥变换器一种。
本文旨在研究单管不隔离DC-DC变换器，又可以六中DC-DC变换器归为三类，即升压式DC-DC变换器、降压式DC-DC变换器和升降压式DC-DC变换器，而库克（Cuk）、瑞泰（Zeta）和赛皮克（Sepic）三种变换器由于它们特殊的性质可以将它们归入升降压式DC-DC变换器一类中，这个将在第2章的DC-DC变换器建模中得到说明。


1.4DC-DC变换器的建模方法
在DC-DC开关变换器的各种建模方法中，比较常用的是状态空间平均法，小信号建模法，大信号建模法，电路平均法。其中，状态空间平均法是从DC-DC开关变换器工作的各个子拓扑的状态方程出发，通过对时间进行加权平均处理而得到一个关于原电路统一的状态方程，再经小信号扰动和线性化处理，得到一个统一的等效电路模型。然而该模型与原电路拓扑相去甚远，不易理解，且连续和断续导通两种模式的等效电 ……（未完，全文共23567字，当前仅显示4239字，请阅读下面提示信息。收藏《论文：基于李雅普诺夫稳定性的电力电子拓扑控制》）