脉宽调制DC/AC电路的微分方程建模求解及交流稳态特性分析

论文摘要

新型电力系统融入了新能源发电模式、直流输电工程、灵活用电负荷等新元素,这些新兴产业能与传统电力系统相互融合主要依赖于电能转换技术。大功率可关断开关器件的飞速发展,促使电能转换核心技术——正弦脉宽调制(SPWM)逆变器的发展也日趋高性能化,而深入剖析SPWM逆变器物理工作过程将为装置设计与制造、控制方法研究、综合评价提供有力的理论依据。国内外对SPWM逆变器工作原理及数学模型的研究中多是建立在特定的研究目标与要求基础上,功能等效的数学模型往往在建模过程中忽略一些物理现象,导致了分析结果存在片面性与局限性。而微分方程求解本应是最能体现物理本质的电路分析方法,但难以确定的初值成为其在电力电子分析应用中的阻碍。文章受SPWM逆变电路中二极管续流作用的启发,提出了考虑续流过程的SPWM逆变电路的微分方程建模方法,进而得到电路交流稳态物理工作特性。论文对以惯性定理为理论基础的SPWM调制技术具有的直流电压要求较高、开关损耗大、直流电压利用率低等控制特性进行了总结,在此基础上把逆变电路的物理工作过程分为两个阶段：一是依据目标条件,通过控制SPWM起始时刻及脉宽形成的经IGBT管的控制电流；二是在IGBT管关断截止后,利用电感储存能量形成的自感反电势,使二极管导通而构成连续交流电流的反馈电流,逆变电路在SPWM系列脉冲控制下呈现的是周期重复性过渡过程的动态特性。论文把电路结构变化映射到常规端口电路的电源变化上,通过经典微分方程求解的方法得到了周期重复过渡过程的稳态电流形式,采用叠加项解决了系列微分方程求解中初值难以确定的难题。在分析整流、逆变、吸收无功、发出无功四种典型状态下控制电流的脉冲系列及工频分量相量图的基础上,得到逆变电路的稳态模型,并揭示了电路稳态运行规律。最后,实验样机的物理实验与理论分析基本一致。本文从二极管续流向直流侧反馈能量的角度建立正弦脉宽调制逆变电路微分方程稳态模型,用过渡过程叠加的方式解决了周期重复过渡过程电路分析中无法采用微分方程计算求解的难题。最后,得到了逆变电路输出电流的工频稳态分量及运行特性,为变流装置的设计、制造、控制方法研究提供了新的理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 电力变流技术的发展
• 1.2.1 电能转换技术的发展概况
• 1.2.2 逆变控制技术介绍
• 1.3 逆变器数学模型研究现状
• 1.4 本文的研究目标、思路及特点
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究思路及特点
• 1.5 论文的研究内容和主要工作
• 第二章 SPWM逆变电路物理特性分析
• 2.1 SPWM控制特性
• 2.2 SPWM调制下电路工作过程
• 2.2.1 过渡过程及重复过渡过程
• 2.2.2 电路分析方法比较
• 2.2.3 形成端口电路
• 2.2.4 端口电路的微分方程求解
• 2.3 任意开关控制周期内电流特性分析
• 1T₄导通'>2.3.1 控制T₁T₄导通
• 2T₃导通'>2.3.2 控制T₂T₃导通
• 2.4 本章小结
• 第三章 稳态特性分析
• 3.1 稳态电流的推导
• 3.1.1 电力电子稳态定义
• 3.1.2 控制电流脉冲系列
• 3.1.3 稳态电流规律分析
• 3.2 交流系统稳态工作特性分析
• 3.2.1 稳态电流构成
• 3.2.2 稳态电流波形
• 3.3 本章小结
• 第四章 SPWM变流器物理实验
• 4.1 互补控制下电路特性
• 4.2 实验思路及目标
• 4.3 实验波形分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文工作总结
• 5.2 应用前景
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表的学术论文和科技成果