260kVA无源软开关辅助变流器研究

论文摘要

电力机车辅助变流器是为机车牵引及制动系统提供保障的一种重要设备,它的性能将直接影响机车的正常运行。由于这类变流器的单台容量较大,因此早期的辅助变流器往往存在体积大、噪声大和损耗大等缺点。为了实现大功率变流器装置的小型化、低耗化和高效化,目前有效并被广泛采用的设计方法是提高变流器的工作频率,达到增大功率密度、提高瞬时响应速度、抑制音频噪声等目的。在进行高频化设计时,需要面对和解决一系列问题,包括如何有效地解决由于变流器开关频繁动作而产生的如开关损耗、二极管反向恢复电流和电源电磁干扰等,而软开关技术能够有效解决这些问题。本文研究一种基于无源软开关技术的大功率高频辅助变流器,其功率为260kVA,开关工作频率为15kHz。论文首先提出一种新型的辅助变流器拓扑结构,分析了关键电路的工作原理；然后,利用状态空间平均法和智能控制方法对变流器进行建模和控制；最后,根据给定的技术指标,计算电路参数,开发系统样机,并通过对关键模块的测试验证辅助变流器的正确性和实用性。（1）基于无源软开关技术的辅助变流器拓扑结构结合260kVA无源软开关辅助变流器的面向对象和工作环境,基于无源软开关技术和直-（交）-直-交（DC-（AC）-DC-AC）变流技术,提出了一种新型的大功率高频辅助变流器系统拓扑结构。变流器的前端（DC-（AC）-DC部分）由三个采用输入串联输出并联方式连接的高频DC/DC变换器组成,这种模块化系统结构的设计可以降低开关器件的电压等级,而且该配置方式的自动平衡机制可以保证系统的稳定性；变流器的后端（DC-AC部分）为将直流转化为交流的DC/AC逆变器,其中无源软开关箝位电路技术的使用可以有效地降低变流器的体积和重量。同时,对主电路中的缓冲型无源软开关电路、能量恢复电路、RCD箝位电路等几个关键电路的工作原理进行分析,在此基础上,提出一种基于能量恢复的新型RCD位电路,进一步提高了辅助变流器的工作效率。（2）基于状态空间平均法的辅助变流器模型分析对于辅助变流器中的高频DC/DC变换器,应用状态空间平均法,建立了变换器的数学模型。针对变换器的强非线性特点,为了获得良好的稳态、瞬态、动态等特性,在考虑变压器漏感、输出滤波电感、以及电容等效短路电阻的情况下,建立了变换器的等效电路。通过分析一个周期内变换器关键部件的电压和电流理想波形的变化趋势,得到了不同状态下的变换器等效电路和对应的状态变量方程描述。在此基础上,通过平均化和线性化处理,获得了变换器在连续工作模式下的状态平均方程和小信号传递函数。（3）基于遗传算法的辅助变流器智能控制方法为了降低辅助变流器中电气设置参数的不确定性,负载性质的多变性等因素对系统的负面影响,对变流器的控制策略进行研究,提出了一种基于遗传算法的智能控制方法。针对DC/DC变换器,首先,选择合适的PWM控制方式,构建双闭环控制结构,即利用电流内环反馈获得优异的动态响应,电压外环反馈获得期望的穿越频率和相位裕度。然后,采用传统PID控制方法对DC/DC变换器实施控制,依据一定原则选取合适的PID参数,通过仿真验证了控制效果。最后,针对现有DC/DC转换器采用传统的PID控制方法难以获得最优控制参数的问题,提出一种基于遗传算法的智能PID控制策略,在双闭环控制结构中,采用遗传算法对电压外环中PID控制器的参数进行自寻优,电流内环仍采用PI控制算法实现电流反馈控制。仿真结果表明,相比于传统PID控制,基于遗传算法的PID控制策略能够获得更好的动态响应和稳定裕度。针对DC/AC逆变器,采用遗传算法对空间矢量调制进行控制,实现了三相输出电压波形地有效控制。（4）辅助变流器样机的实现与测试结合本文的理论研究,完成了260kVA无源软开关辅助变流器的软硬件设计,开发了系统样机,对相关模块进行了测试。针对辅助变流器的工作环境和各项技术指标,基于前面章节的理论分析,完成了辅助变流器主电路中关键器件的参数设计和选型,研制出了260kVA无源软开关辅助变流器装置。然后,利用该实验装置进行了实验测试,重点对DC/DC模块和DC/AC模块进行测试、分析和评估,验证所设计的辅助变流器在实际运行条件下的正确性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 软开关技术
• 1.2.2 DC/DC变换器建模方法
• 1.2.3 DC/DC变换器控制方法
• 1.2.4 DC/AC逆变器拓扑结构
• 1.2.5 DC/AC逆变器控制方法
• 1.3 主要研究内容及论文构成
• 第二章 辅助变流器拓扑结构及工作原理分析
• 2.1 辅助变流器系统
• 2.2 DC/DC模块拓扑结构
• 2.2.1 DC/DC高频隔离变换器
• 2.2.2 三台DC/DC高频隔离变换器结构配置
• 2.3 DC/AC模块拓扑结构
• 2.4 关键电路原理分析
• 2.4.1 无源软开关缓冲电路
• 2.4.2 能量恢复电路
• 2.4.3 RCD箝位电路
• 2.4.4 改进的RCD箝位电路
• 2.5 小结
• 第三章 辅助变流器状态空间平均法建模
• 3.1 状态空间平均法建模条件分析
• 3.2 DC/DC变换器工作状态分析
• 3.3 DC/DC变换器状态平均方程求解
• 3.4 DC/DC变换器传递函数求解
• 3.5 小结
• 第四章 辅助变流器智能控制方法
• 4.1 PWM控制方案选择
• 4.2 DC/DC变换器双闭环控制结构
• 4.3 传统PID控制器参数设计
• 4.4 基于遗传算法的PID控制器
• 4.4.1 遗传PID控制器设计算法
• 4.4.2 遗传PID控制器仿真验证
• 4.5 DC/AC逆变器控制器设计
• 4.6 小结
• 第五章 辅助变流器实现和测试
• 5.1 辅助变流器技术指标
• 5.2 主电路关键参数计算及电磁兼容性设计
• 5.2.1 DC/DC模块部分
• 5.2.2 DC/AC模块部分
• 5.2.3 系统电磁兼容性设计
• 5.3 控制电路实现
• 5.4 DC/DC模块测试
• 5.4.1 负载性能分析
• 5.4.2 关键部件波形分析
• 5.5 DC/AC模块测试
• 5.5.1 负载性能分析
• 5.5.2 关键部件波形分析
• 5.6 辅助变流器系统效率
• 5.7 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表及完成论文情况
• 攻读博士学位期间参加的科研项目情况