基于高频交流链接的充电技术研究及其控制器的设计

论文摘要

电力电子装置的广泛应用给电能变换和利用带来了极大的方便,但同时也给电力系统和其他用电设备造成了极大的谐波污染。因此,提高电力电子装置的功率因数和降低其电流谐波含量已经成为电力电子技术的研究热点和重大课题。传统的电力电子变换装置由于其固有缺陷,对电网注入了大量的谐波电流和无功功率,如果这些谐波污染和无功功率得不到治理,将会引起电力系统故障或导致其他用电装置不能正常工作。目前,解决电力无功和谐波的主要手段有：电力滤波和功率因数校正技术。这两种解决途径都增加了系统的成本、体积和重量。高频交流链接技术（AC-Link）是20世纪末期国外学者所提出的一种新型的电力电子变换技术。该技术省去了传统电力电子装置中的整流环节,直接对三相交流输入进行高频变换,转换成所需要的电能形式,解决了传统电力电子装置功率因数低、谐波含量高的问题。高频交流链接技术属于高频谐振变换,因此其开关损耗较低,di/dt较小,提高了变换器的效率和功率密度,具有良好的电磁兼容性能。同时,高频交流链接技术具有灵活的变换方式能够实现各个电能形式的变换,应用广泛。本论文广泛调研了现存的各种高频交流链接变换器,对典型的高频交流链接变换器进行了理论分析和仿真研究,得出了其电流、电压特性和控制策略。文章分析了基于高频交流链接技术的新型充电结构,并对该种结构进行了仿真研究。结果表明,该种充电结构适合电容充电应用,它结合了高频交流链接技术高功率因数、低谐波含量的特性和串联谐振充电电源自然恒流的特性。同时,该变换器能够实现恒流充电和恒功率充电两种充电模式。最后,完成了基于FPGA的高频交流链接技术控制器的设计,并进行了仿真验证和实验验证。实验结果表明,在该控制器的控制下,高频交流链接变换器网侧输入电流为正弦波,并且与相电压保持零相位差,具有很高的功率因数和很低的谐波含量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 电力电子技术的发展及应用
• 1.3 传统DC-Link技术中存在的缺陷和解决方法
• 1.3.1 二极管不可控整流
• 1.3.2 相控整流
• 1.3.3 PWM整流
• 1.3.4 功率因数校正与电力滤波器
• 1.4 高频交流链接技术的研究现状
• 1.5 本课题研究的目的和内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 第2章 高频交流连接技术概述
• 2.1 串联谐振型高频交流链接结构
• 2.1.1 AC-AC结构
• 2.1.2 AC-DC结构
• 2.1.3 DC-AC变换器
• 2.1.4 DC-DC结构
• 2.1.5 多端口配置
• 2.2 并联谐振型高频交流链接
• 2.2.1 AC-AC结构
• 2.2.2 DC-AC结构
• 2.3 主要特点
• 2.4 应用前景分析
• 2.4.1 新能源发电
• 2.4.2 用于高压直流输配电
• 2.4.3 用于舰船和海上钻井平台输配电
• 2.4.4 用于电机变频驱动
• 2.4.5 用于机车牵引供电
• 2.4.6 用于直流和充电电源
• 2.5 小结
• 第3章 高频交流链接技术理论分析
• 3.1 工作原理分析
• 3.1.1 工作过程分析
• 3.1.2 控制策略
• 3.1.3 输出功率
• 3.2 仿真验证
• 3.3 滤波器设计
• 3.3.1 谐波分析
• 3.3.2 L-C滤波器优化设计
• 3.3.3 滤波器的仿真验证
• 3.4 小结
• 第4章 基于高频交流连接技术的充电电源仿真研究
• 4.1 电容充电技术简述
• 4.2 电容负载的特殊性
• 4.3 基于高频交流链接技术的新型充电结构
• 4.3.1 工作原理
• 4.3.2 理论分析
• 4.4 仿真验证
• 4.5 小结
• 第5章 基于FPGA的高频交流链接控制系统设计
• 5.1 FPGA简介及其在控制系统中的应用
• 5.2 控制原理与策略
• 5.3 基于FPGA的高频交流链接电源控制器的设计
• 5.3.1 三相状态检测
• 5.3.2 控制量计算
• 5.3.3 数据流控制方式
• 5.3.4 驱动信号产生
• 5.3.5 高压采集
• 5.3.6 其他检测与保护
• 5.4 软件设计与实现
• 5.4.1 FPGA开发流程
• 5.4.2 总体设计
• 5.4.3 频率检测与相位检测
• 5.4.4 波形产生模块
• 5.4.5 AD和DA控制器
• 5.5 仿真结果
• 5.6 外围硬件设计
• 5.6.1 三相输入二值化电路
• 5.6.2 AD与DA转换电路设计
• 5.6.3 接口电路
• 5.7 小结
• 第6章 实验验证
• 6.1 实验电路及参数
• 6.2 实验结果
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文及科研成果