專(zhuān)利名稱(chēng)：基于混雜切換系統(tǒng)理論的Buck電路建模方法
基于混雜切換系統(tǒng)理論的Buck電路建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Buck電路建模方法及其應(yīng)用，特別是一種基于混雜切換系統(tǒng)理 論(hybrid switched system, HSS)的Buck電路建模方法及其應(yīng)用，屬于電力電子技術(shù)和 混雜系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年出現(xiàn)的混雜系統(tǒng)使得電力電子電路控制理論的研究成為可能，也為電力電子 系統(tǒng)的建模提供了許多新的方案，諸如自動(dòng)機(jī)模型、混雜Petri網(wǎng)模型、混雜切換系統(tǒng)模 型、混合邏輯動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型等。從系統(tǒng)工作特點(diǎn)看，電力電子電路是一種典型的混雜動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，由于開(kāi)關(guān)器件的 存在，而具有多種工作模式，不同的工作模式對(duì)應(yīng)于不同的電路拓?fù)?，功率開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān) 斷驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在不同模式間轉(zhuǎn)換。而作為混雜動(dòng)態(tài)建模的切換系統(tǒng)理論對(duì)Buck電路建立的 模型十分精確，并易于分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制特性，特別是變換器系統(tǒng)的一些由開(kāi)關(guān)切 換引起的復(fù)雜特性。目前已研究的建模方法主要有狀態(tài)空間平均法、開(kāi)關(guān)平均法等方法。它們都是一 種近似的方法，平均作用簡(jiǎn)化了系統(tǒng)模型，犧牲了系統(tǒng)的精確度。它只對(duì)緩慢變化的信號(hào)有 效，在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)與實(shí)際有較大的偏差；它只能在宏觀上了解變換器的性能，無(wú)法準(zhǔn)確的 得到它的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此，有必要采用一種適合變換器開(kāi)關(guān)特性的系統(tǒng)分析方法對(duì)其進(jìn)行 分析和建模，混雜系統(tǒng)能夠使電力電子電路精確建模。因此，研究一種對(duì)電力電子電路精確 建模的方法將是對(duì)電力電子電路分析的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提供一種基于混雜切換系統(tǒng)理論的 Buck電路建模方法。該方法利用混雜切換系統(tǒng)理論對(duì)Buck變換器建立精確的模型，通過(guò)模 型的分析得出變換器控制系統(tǒng)完整的控制特性，可以從混雜系統(tǒng)的角度來(lái)分析電路的變化 規(guī)律、控制策略以及故障診斷等；在電力電子系統(tǒng)中引入現(xiàn)代非線(xiàn)性理論，彌補(bǔ)電力電子系 統(tǒng)的控制基礎(chǔ)理論，促使電力電子技術(shù)向更高的層次發(fā)展。本發(fā)明提供的基于混雜切換系統(tǒng)理論的Buck電路建模方法，包括以下步驟第1、分析Buck電路，對(duì)狀態(tài)空間進(jìn)行分區(qū)，得出工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)；第2、確定Buck電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的切換條件，從而確定系統(tǒng)的離散事件；第3、確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量，建立Buck電路的狀態(tài)方程和輸 出方程；第4、根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；第5、利用基于混雜切換系統(tǒng)理論建立Buck電路的模型。上述第1步中所說(shuō)的Buck電路是由恒壓源、儲(chǔ)能電感、濾波電容、二極管和功率 開(kāi)關(guān)器件和負(fù)載電阻組成；其中，功率開(kāi)關(guān)器件一端連接恒壓源正極，另一端同時(shí)連接二極
4管負(fù)極和儲(chǔ)能電感的一端；儲(chǔ)能電感另一端與濾波電容相連接，濾波電容另一端同時(shí)連接 恒壓源負(fù)極和二極管正極，負(fù)載電阻與濾波電容并聯(lián)；其中，所說(shuō)的功率開(kāi)關(guān)器件可以是 SCR、IGBT、IGCT等開(kāi)關(guān)器件。第1步中所說(shuō)的系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括3個(gè)分別是電感的儲(chǔ)能過(guò)程，電感釋放能量 過(guò)程和電感電流的斷續(xù)過(guò)程；其中，電感的儲(chǔ)能過(guò)程是指當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，二極 管截止，恒壓源作用于電感、電容及負(fù)載上，一方面向負(fù)載提供能量，另一方面向電感充電， 電感電流k線(xiàn)性上升；電感釋放能量過(guò)程是指當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，電感反電勢(shì)使二極 管快速導(dǎo)通，電感儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載，電感電流線(xiàn)性衰減；電感電流的斷續(xù)過(guò)程是指在 功率開(kāi)關(guān)器件處于斷態(tài)的期間，電感電流k下降速度較快，在下一周期功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通 之前，iL已經(jīng)衰減到零，從而出現(xiàn)了電流的斷續(xù)狀態(tài)。上述第2步中所說(shuō)的狀態(tài)之間的切換條件為t≥t1+ton 、；t≥ti+Ts ;iL ≤0&&t < VTS。上述第2步中所說(shuō)的離散事件是指Buck電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的切換條件，主要 是來(lái)自開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷；電路中所有電力電子器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一種組合就是一個(gè) 離散事件，離散事件即控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)著電力電子電路在各個(gè)工作拓?fù)渲星袚Q，其離散事件 狀態(tài)總是與電路工作模式相對(duì)應(yīng)。上述第3步中所說(shuō)的狀態(tài)變量是指電感電流k和電容電壓Ue，輸入變量是指恒壓 源Us，輸出變量是指輸出電壓UK。上述第3步中所說(shuō)的Buck電路的狀態(tài)方程和輸出方程為x = Ax+ Buy = Cx通過(guò)狀態(tài)方程和輸出方程來(lái)方便地刻畫(huà)系統(tǒng)的行為。上述第4步中所說(shuō)的狀態(tài)矩陣~和A2、輸入矩陣Bi和B2以及輸出矩陣C分別是
權(quán)利要求
一種基于混雜切換系統(tǒng)理論的Buck電路建模方法，其特征在于該方法包括以下步驟第1、分析Buck電路，對(duì)狀態(tài)空間進(jìn)行分區(qū)，得出工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)；第2、確定Buck電路各個(gè)工作狀態(tài)之間的切換條件，從而確定系統(tǒng)的離散事件；第3、確定系統(tǒng)的狀態(tài)變量和輸入變量、輸出變量，建立Buck電路的狀態(tài)方程和輸出方程；第4、根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；第5、利用基于混雜切換系統(tǒng)理論建立Buck電路的模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說(shuō)的方法，其特征在于第1步中所說(shuō)的Buck電路是由恒壓源、 儲(chǔ)能電感、濾波電容、二極管和功率開(kāi)關(guān)器件和負(fù)載電阻組成；其中，功率開(kāi)關(guān)器件一端連 接恒壓源正極，另一端同時(shí)連接二極管負(fù)極和儲(chǔ)能電感的一端；儲(chǔ)能電感另一端與濾波電 容相連接，濾波電容另一端同時(shí)連接恒壓源負(fù)極和二極管正極，負(fù)載電阻與濾波電容并聯(lián)； 其中，所說(shuō)的功率開(kāi)關(guān)器件可以是SCR、IGBT、IGCT等開(kāi)關(guān)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第1步中所說(shuō)的系統(tǒng)的工作狀態(tài)包括3 個(gè)分別是電感的儲(chǔ)能過(guò)程，電感釋放能量過(guò)程和電感電流的斷續(xù)過(guò)程；其中，電感的儲(chǔ)能 過(guò)程是指當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件處于通態(tài)時(shí)，二極管截止，恒壓源作用于電感、電容及負(fù)載上，一 方面向負(fù)載提供能量，另一方面向電感充電，電感電流k線(xiàn)性上升；電感釋放能量過(guò)程是指 當(dāng)功率開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)，電感反電勢(shì)使二極管快速導(dǎo)通，電感儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載，電感 電流線(xiàn)性衰減；電感電流的斷續(xù)過(guò)程是指在功率開(kāi)關(guān)器件處于斷態(tài)的期間，電感電流k下 降速度較快，在下一周期功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通之前，iL已經(jīng)衰減到零，從而出現(xiàn)了電流的斷續(xù) 狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第2步中所說(shuō)的狀態(tài)之間的切換條件為 t 彡 t!+ton ；t 彡 t!+Ts ；iL ( 0&&t < ti+Ts。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第2步中所說(shuō)的離散事件是指Buck電路 各個(gè)工作狀態(tài)之間的切換條件，主要是來(lái)自開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷；電路中所有電力電子 器件導(dǎo)通或關(guān)斷的一種組合就是一個(gè)離散事件，離散事件即控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)著電力電子電路 在各個(gè)工作拓?fù)渲星袚Q，其離散事件狀態(tài)總是與電路工作模式相對(duì)應(yīng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第3步中所說(shuō)的狀態(tài)變量是指電感電流 iL和電容電壓隊(duì)，輸入變量是指恒壓源Us，輸出變量是指輸出電壓UR。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第3步中所說(shuō)的Buck電路的狀態(tài)方程和 輸出方程為x = Ax+ Buy = Cx通過(guò)狀態(tài)方程和輸出方程來(lái)方便地刻畫(huà)系統(tǒng)的行為。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第4步中所說(shuō)的狀態(tài)矩陣~和4、輸入矩 陣Bi和B2以及輸出矩陣C分別是
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于第5步中所說(shuō)的混雜切換系統(tǒng)部分是通 過(guò)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)控制器包括輸入變量電感電流I，輸入常量開(kāi)關(guān)周期Ts和導(dǎo)通時(shí) 間t。n，輸出變量序列S” S2控制狀態(tài)矩陣和輸入矩陣的選擇。
10.權(quán)利要求1所述方法的應(yīng)用，其特征在于通過(guò)所建模型能夠分析得出變換器控制 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和完整的控制性能，能夠從混雜系統(tǒng)的角度來(lái)分析電路的變化規(guī)律、控制策 略、故障診斷以及參數(shù)識(shí)別等。
全文摘要
一種基于混雜切換系統(tǒng)理論的Buck電路建模方法及其應(yīng)用，所述方法包括以下工作步驟①分析Buck電路，對(duì)狀態(tài)空間進(jìn)行分區(qū)，確定工作狀態(tài)個(gè)數(shù)；②確定工作狀態(tài)間的切換條件；③建立Buck電路的狀態(tài)方程和輸出方程；④根據(jù)電路參數(shù)確定系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣、輸入矩陣和輸出矩陣；⑤利用基于混雜切換系統(tǒng)理論建立Buck電路的模型。本發(fā)明利用混雜切換系統(tǒng)理論對(duì)Buck電路建立的模型十分精確，并利于準(zhǔn)確分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制性能，特別針對(duì)變換器系統(tǒng)的一些由開(kāi)關(guān)切換引起的復(fù)雜特性；Buck電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、變換效率高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G06F17/50GK101980219SQ201010515160
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月22日
發(fā)明者劉思佳, 周雪松, 宋代春, 權(quán)博, 李圣明, 梁芳, 田程文, 陳浩, 馬幼捷 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)