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三电平AC/AC电力电子变压器及其控制技术探讨[电力论文]
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  • 编辑:vicky
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  • 论文字数:43656
  • 论文编号:el2021090322335024598
  • 日期:2021-11-07
  • 来源:上海论文网

电力电子技术论文哪里有?本文以 AC/AC 电力电子变压器为研究背景,提出了新型三电平拓扑,并对其拓扑结构、工作机理、调制策略、稳态模型、小信号模型以及闭环控制策略等方面开展了深入研究,并对文中所提出的所有理论进行仿真验证,为后续实验工作的开展进行系统实验平台的软硬件设计。

第 1 章  绪论

1.2  国内外研究现状及分析
1.2.1 AC/AC 电力电子变压器的研究现状
1970 年,GE 公司的 W.M 首次提出了一种直接型 AC/AC 变换电路[9],在拓扑中引入了高频链环节,如图 1-1 所示。通过1S 和2S 交替开关,两者开通的时间保持一致,将工频的输入源转化为高频交流电压信号,在二次侧的3S 和4S 分别与1S 和2S 相对应,以相同的开关频率进行动作,使得在负载侧还原出工频电压,其幅值大小由两侧之间的移相角控制。该变换器的拓扑为后来的研究者提供了一个新的思路,自此之后,各种新型电力电子变换器便不断涌现。在十年后的 1980 年,美国海军就提出了一种 Buck 型 AC/AC 变换的拓扑结构[10]。
在进入 21 世纪之前,直接式斩波型的 AC/AC 电力电子变压器成为了研究的主要方向,而后由美国电科院在 1995 年设计出了基于 Buck 型 AC/AC 电力电子变压器的试验机,其拓扑结构如图 1-2 所示[11]。其结构源于 DC/DC 变换中的斩波电路,通过使用双向开关来替代原本单一方向的开关和续流二极管,从而在网侧极性反转的时候将拓扑变换到相应的模态。此拓扑的拓扑和控制都十分简单,但是其缺少电气隔离的环节,产生的谐波较大,无法实际投入到工业届中使用。1996 年日本学者 Koosuke  Harada 等人提出了智能变压器的概念[12],由于采用了高频调制手段,变压器的体积进一步减小。通过移相控制的手段实现了电压、功率和功率因数的连续矫正,变压器的视在功率达到了 3kVA。

电力电子技术论文
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第 3 章  三电平 AC/AC 电力电子变压器的小信号建模

3.1  引言
不同于 PWM 型变换器所采用的平均状态法,谐振槽中的电压电流多为正弦形式,其幅值变化幅度大,不满足于转折频率远低于变换器开关频率的小纹波假设。需要强调的是,PWM 型变换器通过平均值来传输能量,而谐振型变换器依赖”基波“来传输能量,这在前面的章节中有所体现。由美国国家电力电子研究中心的李泽元教授利用扩展描述函数法的概念对多种谐振变换器的小信号建模进行了深入研究。扩展描述函数法相比于另一常用方法,离散时域法,更为简单直接,不需要通过仿真软件的辅助。同时,这种方法不需要考虑变换器工作的具体状态,非常适合对谐振变换器的研究。本章将利用扩展描述函数法对三电平 AC/AC 电力电子变压器进行小信号分析。与前文的研究思路一致,对变换器的小信号分析将基于开关周期层面。
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第 5 章  仿真验证及结果分析

5.1  引言
本章就论文所提出的所有理论进行仿真验证,通过设计完整的仿真内容全面地验证所有理论推导。内容包括开环下电网周期层面的和开关周期层面的电压电流波形和开关管的驱动波形。理想电网条件下,分别给出两组不同负载情况中,相应的电网周期层面的和开关周期层面的各个波形。
同时为考察串联型重复控制系统的抗干扰能力,评估变换器的动态性能。本章还安排了在理想电网条件下发生负载突变时的相应仿真结果。在非理想电网条件下,电网侧加入 3、5、7 次谐波,分别给出输出电压波形和闭环控制器的动态响应波形,重点关注了输出电压的 FFT。变换器的仿真参数如下表所示:

表 5-1  变换器仿真参数
表 5-1  变换器仿真参数

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5.2  调制策略的仿真验证
针对分压电容不均压造成的谐振电容偏离中点电平问题,前文中已经提出了混合调制策略。变换器的网侧电压有效值为 220V,在直接设定占空比为 0.5的开环条件下,输出侧电压经过式(2-8)的计算幅值为 110V,如图 5-1 的仿真结果验证了基波分析法所得出的稳态输出特性的正确性,图 5-2 显示开环条件下总谐波畸变率为 1.12%。另一方面谐振电容电压rCu 的电压波形在交流周期层面上看始终为网侧电压的一半,将局部放大后发现在开关周期层面rCu 是以正弦形式波动,从而证明了变换器是通过谐振网络来传递能量的。

图 5-1 1 247μFd dC =C = 时,交流周期层面谐振电容电压rCu 、网侧电压inu 和输出电压outu 的仿真波形
图 5-1 1 247μFd dC =C = 时,交流周期层面谐振电容电压rCu 、网侧电压inu 和输出电压outu 的仿真波形

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结论

本文以电力电子调压器为背景,为进一步扩展其负载和电压适应性,提高其功率密度、工作效率和输出电压波形质量,提出了新型三电 AC/AC 电力电子变压器,并对其调制与闭环控制策略等方面进行了深入研究。本文的主要研究工作和研究成果如下:
(1)  提出了三电平 AC/AC 电力电子变压器的拓扑结构,从半桥结构出发,分析了交流变换器中均分网侧电压的方法;提出了混合式 PWM 调制策略,保证了交流侧分压电容电压在开关周期内的均衡;获得了基于基波分析法的变换器稳态模型。
(2)  建立了基于扩展描述函数法的三电平 AC/AC 电力电子变压器的小信号动态线性模型,为设计闭环控制器的参数设计提供了基础。
(3)  给出了三电平 AC/AC 电力电子变压器的线性控制器结合串联型重复控制器的闭环控制方案。以所建立的小信号动态线性模型为基础,获得了两个控制器的参数设计原则。
(4)  搭建了基于 matlab/simulink 的三电平 AC/AC 电力电子变压器的仿真模型,对所提出的调制策略、闭环控制系统以及闭环控制器参数设计原则进行了详细仿真验证。仿真结果表明,所提出变换器及其调制与控制策略实现了预期的 AC/AC 功率变换,获得了理想的动静态性能,并有效抑制了电网电压谐波的影响。
(5)  设计了三电平 AC/AC 电力电子变压器的基于 DSP+FPGA 的实验平台,给出了各硬件环节的具体电路结构以及 DSP 和 FPGA 的详细的软件程序流程。
由于课题所受的时间限制,本文仅对所提出理论进行了细致的仿真验证工作,在论文的最后已经完成了实验平台的软硬件设计,后续将围绕实验的具体实施开展工作,同时就如何提高变换器的功率等级展开研究。
参考文献(略)