基于OFDM的DC-DC并联系统无线网络控制技术研究

Paralleled DC-DC power system is one of the typical structural forms of distributed power systems. The application of wireless communication to paralleled DC-DC power systems is capable of eliminating the need for physical connection and making it easier for the reconstruction of system, by which means capable of realizing flexible distributed power system. On the basis of in-depth investigations and preliminary researches, this application will deeply discuss the paralleled DC-DC power system controlled by the high-speed wireless communication based on Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), and propose new methods of the multi-resolution feedback coding to effectively reduce the wireless data traffic and improve the data transmission rate. The study focuses on both the impact of network factors like wireless data transmission delay, wireless packet loss, etc, on the performance of the stability of control system, control accuracy and dynamic response, etc, and the multi-variate analysis models that reflect the lag time of control loop and system performance indices in different power models. And the impact will be solved by predictive control. By constructing the hardware &software platform of wireless network control system for paralleled DC-DC converters, this research experimentally verifies the control algorithms and models in the apply under the condition of different circuit topologies, network circumstance factors and so on. Through the profound studies on the paralleled DC-DC distributed power system, theories and technical supports are well provided to realize the standardized application of high-speed and high-reliability wireless communication technologies in power electronic systems.

并联DC-DC电源系统是分布式电源系统的典型结构形式，将无线通讯应用于并联DC-DC电源系统可减少复杂物理连线、易于系统重构，实现柔性分布电源系统的目标。在深入调研和前期研究基础上，形成了基于正交频分复用技术（OFDM）的高速无线通信控制并联DC-DC电源系统新方案，提出多精度反馈编码的新方法可显著减少无线数据传输量、提高数据传输效率。重点研究无线数据传输延时、无线数据丢包等网络环境因素对控制系统稳定性、控制精度与动态响应等性能指标的影响，建立各电源模块控制环节滞后时间不一致和系统性能指标间的多变量分析模型，并通过预测控制解决。通过构建并联DC-DC变换器无线网络控制系统平台，对不同的电路拓扑结构、网络环境因素等条件下的控制算法和模型进行实验验证，为实现高速、高可靠性无线通信技术在电力电子系统标准化应用提供理论和技术支持。

本申请针对目前已有的并联DC/DC系统，提出基于正交频分复用技术（OFDM）的高速无线通信控制并联DC/DC 电源系统新方案，减少了复杂的物理连线，实现了柔性分布电源系统的目标。课题组主要研究工作及成果如下：（1）提出了一种基于主从均流控制的智能均流控制策略，并运用此策略设计了基于CAN总线通信的DC/DC变换器并联系统，简化了并联系统的设计，并通过实验验证了该系统的稳定性。（2）提出了基于2.4GHz无线通信的DC/DC并联系统的方案，消除了系统外部均流互连线，并以双BUCK变换器为例实现了并联系统数字控制和无线均流技术的结合。实验结果表明在2.4GHz的无线平台上可以很好的达到并联均流的要求。（3）为了进一步减少无线通信带宽对并联DC/DC系统的影响，设计了以DSP+FPGA为核心的1.575GHz的无线收发平台，并进行了稳定性以及优化实验。（4）通过并联系统与无线通信相关测试，提出了基于1.575GHz无线通讯的并联DC/DC滑模控制。通过对实验结果分析，验证了滑模主从均流控制设计的可行性，以及比双闭环PI控制具有更好的鲁棒性。（5）在对无线系统进行研究时，分别考虑延时以及数据包丢失两种情况，估算了系统稳定的最大延时范围和系统允许的最大丢包率。最后通过仿真与实验验证了延时和丢包理论的有效性，为项目后续研究找到了一些启发性的设计思路与方法。（6）为了提高网络通信效率与控制系统的实时性，提出了将多精度反馈编码应用于无线并联系统的方案，并进行了相应的编码设计，通过仿真验证了设计方案的合理性与可行性，后续将通过实验进一步进行验证其正确性。（7）采用无线通信控制并联DC/DC变换器时系统稳定性问题突出，为此，课题组对变换器的分岔与混沌现象进行了理论建模分析，提出了混沌控制方法。并进行了仿真分析，验证了算法的有效性与实用性。（8）运用分段仿射模型对Buck变换器进行建模，并将其模型作为预测模型，结合预测函数控制实现对Buck变换器的控制，并通过仿真验证了算法的可行性。