记忆元件电路及其在微网光伏变换器控制中的应用

摘要

自成功发现具有记忆功能的忆阻器(Memristor,MR)以来，忆阻器的研究与应用引起了学术界的研究热潮，因其具有能够记忆流经电荷数量的优异性能，忆阻器有望成为新型神经形态计算的基本电路元件，给微电子领域带来革命性变革。目前国外竞争与研究已进入白热化阶段，但忆阻器的技术问题与实际应用研究对我们来说仍然是一个机遇。本文基于变容二极管设计了新型的记忆元件电路网络，统一三种记忆元件的电路拓扑提出通用型记忆元件电路模型，并将记忆电路应用于PI控制与微网光伏系统变换器的最大功率点电压控制中。 首先，本文对记忆元件的提出与发展进行简要介绍与梳理，对记忆元件的研究现状及应用进行概述，并总结了微网变换器的主要控制方法。 其次，根据变容二极管(Varactor Diodes,VD)的工作原理及特性，设计了一种器件数目较少的接地型忆阻器，并分析了该接地型忆阻器的工作特性。利用跨导运算放大器的电流电压转换特性，分别设计了接地型忆容器(Memcapacitor,MC)与浮地型的忆阻、忆容与忆感器模拟电路。总结浮地型电路拓扑的相同性，提出了一种通用的记忆元件电路，通过几种器件的位置变换就可以表现出不同的记忆元件性能。搭建仿真和硬件实验平台对三种记忆元件的电学特性进行分析验证，结果表明所设计的电路模型均符合记忆元件的特征。 第三，分别从忆阻器与忆容模拟器的阻容特性出发，设计了基于VD的忆阻器(VD-MR)与忆容器(VD-MC)的同极性与异极性串并联电路，通过理论分析与仿真验证了所设计的基于变容二极管的忆阻器与忆容器复合使用时仍具有忆阻忆容的特性，且复合忆导值与忆容值的计算方法与普通电阻电容串并联时的计算方法一样。 第四，将VD-MR、VD-MC替代传统电阻、电容应用在PI控制电路中，替换后的MR/MC-PI控制器能够自动调整比例与积分系数。同时，将MR/MC-PI控制器应用在Buck电0路中，通过仿真验证了采用VD-MR、VD-MC的PI控制器能够自动调节比例与积分系数，快速稳定电路输出，减小波动。 最后，通过RTDS实时模拟装置验证了VD-MR、VD-MC的特性，搭建Buck电路模型，验证了采用VD-MR的PI控制器的有效性。在RTDS/RSCAD中建立包括光伏发电、蓄电池及柴油发电机模块的微网系统仿真模型，并将采用VD-MR的PI调节电路应用于光伏系统的最大功率点追踪的直流侧电压控制中。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1记忆元件的研究意义与背景

1.1.1 记忆元件的提出与发展

1.1.2 记忆元件的研究现状及应用

1.2微网变换器控制方法

1.3主要研究内容

2 基于变容二极管的记忆元件模拟器

2.1变容二极管的原理及特性

2.1.1 二极管的电容效应

2.1.2 变容二极管的原理及特性

2.2基于VD的忆阻模拟器

2.2.1 基于VD的接地型忆阻模拟器

2.2.2 基于VD的浮地型忆阻模拟器

2.3基于VD的忆容模拟器

2.3.1 基于VD的接地型忆容模拟器

2.3.2 基于VD的浮地型忆容模拟器

2.4基于VD的忆感模拟器

2.5通用记忆模拟器的电路实现

2.6仿真与实验验证

2.6.1 基于VD的接地忆阻器仿真与实验

2.6.2 基于VD的浮地忆阻器仿真

2.6.3 基于VD的浮地忆容器仿真

2.6.4 浮地型记忆元件的实验验证

2.7本章小结

3 基于VD记忆元件的串并联电路特性分析

3.1VD-MRs的串并联特性分析

3.1.1 VD-MRs同极性串联特性

3.1.2 VD-MRs异极性串联特性

3.1.3 VD-MRs同极性并联特性

3.1.4 VD-MRs异极性并联特性

3.2VD-MCs的串并联特性分析

3.2.1 VD-MCs同极性串联特性

3.2.2 VD-MCs异极性串联特性

3.2.3 VD-MCs同极性并联特性

3.2.4 VD-MCs异极性并联特性

3.3.1 VD-MRs串联仿真

3.3.2 VD-MRs并联仿真

3.3.3 VD-MCs串联仿真

3.3.4 VD-MCs并联仿真

3.4本章小结

4 基于记忆元件的自适应PI控制器及其Buck应用

4.1基于VD-MR/MC的自适应PI控制器设计

4.2Buck变换器设计与分析

4.3.1 基于VD-MR的PI调节电路仿真分析

4.3.2 基于VD-MC的PI调节电路仿真分析

4.3.3 Buck电路中三种PI控制的效果仿真对比

4.4本章小结

5 基于RTDS的忆阻器与Buck电路测试

5.1 RTDS介绍

5.2 基于 RTDS的 VD-MR/MC模型建立及验证

5.3 基于 RTDS 的 Buck 模型建立及 PI 与 MR-PI 控制验证

5.4本章小结

6 忆阻器在微网光伏变换器中的应用

6.1.1 独立微网系统的拓扑结构

6.1.2 光伏发电系统

6.1.3 柴油发电机

6.1.4 储能装置

6.2 基于 RTDS 的微网模型建立及仿真

6.2.1 基于RTDS的系统模型建立

6.2.2 系统模型仿真

6.3本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2需进一步研究的内容

参考文献

作者简历

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