准单级高频链逆变电源控制及并网技术研究

论文摘要

准单级高频链逆变技术可以克服周波变换型单级高频链逆变技术中双向开关换流引起的电压尖峰和控制逻辑复杂的问题,又可以解决电流型单级高频链逆变技术的电流应力大的问题,在中小功率场合具有良好的应用前景。本文在阐述高频链逆变技术的产生、发展和应用前景的基础上,分析了具有代表性的高频链逆变技术的优缺点。详细分析了准单级高频链逆变技术的研究意义和国内外研究情况,对准单级高频链逆变电源拓扑、闭环控制和并网控制等关键技术进行了深入的研究与探讨。在推挽式准单级高频链逆变电路的基础上,通过增加一个正激电容器,提出了推挽正激式准单级高频链逆变器拓扑,该逆变器继承了推挽逆变器所需功率开关少、结构简单的优点。由于正激电容的引入,不仅可以抑制高频变压器发生磁偏引起的磁饱和,还可以吸收变压器漏感能量,箝位功率开关电压,减小功率器件的电压应力;采用对称组合式单极性PWM调制方式,可以实现所有功率器件的软开关。在原理分析和参数设计的基础上,完成了1kVA样机实验,实验结果表明,该逆变器能够实现四象限工作,整机效率达到85%以上。为了适应高压输入和较大功率的应用场合,本文进一步研究了全桥式准单级高频链逆变电路,设计制作了3kVA实验样机,整机效率达到88%以上。采用双调制波单极性PWM调制方式不需要输出电压极性信号来切换控制逻辑,在同样的控制逻辑下就能够实现四象限工作,简化了逻辑综合电路,并且可以克服对称组合式单极性PWM调制因极性信号相位误差引起的输出电压过零畸变,改善输出电压波形质量。针对全桥式准单级高频链逆变电路完成了电压电流双闭环控制。为了提高抗负载扰动的能力和改善非线性负载下输出电压波形质量,引入了负载电流前馈控制。阻性负载情况下,输出电压THD达到2.02%;非线性负载情况下,输出电压THD为4.17%。二自由度PI控制器具有两组独立的控制参数,可以根据系统的抗扰性能和跟随性能独立整定。将二自由度PI控制技术应用于准单级高频链逆变器的波形控制中,可以克服传统PI控制难以保证跟随性能和抗扰性能同时最佳的缺点。为了拓展准单级高频链逆变器的应用领域,开展了准单级高频链逆变器并网控制技术研究,提出了电网电压前馈解耦准比例谐振并网控制技术。比例谐振控制在正弦电流跟踪控制中可以实现零稳态误差,电压前馈可以解除并网电流与电网电压之间的耦合关系,消除电网电压畸变或扰动对并网电流的影响。完成了电网电压前馈解耦准比例谐振控制和PI控制下的对比实验研究。逆变器并网运行时,必须采取有效的预防孤岛效应的措施,本文提出了一种混合孤岛检测技术,可以有效的防止由于电网中大负载的投切引起的虚假孤岛保护现象。并且在判断出孤岛可能发生的情况下才引入电流扰动,克服了有源扰动方法对电网的污染。为了消除该方法具有检测盲区的缺点,进一步提出了电压前馈正反馈扰动孤岛检测技术,孤岛发生后,系统会产生强烈的正反馈,使公共连接点的电压迅速偏离稳态值,从而可以检测到孤岛现象。该方法不仅能够消除检测盲区,还适合多台逆变器并网运行时的孤岛检测。本论文得到了国家自然科学基金重点项目“新型高频中小功率逆变电源的控制技术和拓扑技术研究”(项目编号50237020)的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 高频链逆变技术的概念
• 1.2 高频链逆变技术的分类
• 1.2.1 电压源型高频链逆变器
• 1.2.2 电流源型高频链逆变器
• 1.3 准单级高频链逆变技术的研究意义和国内外研究情况
• 1.3.1 准单级高频链逆变电路拓扑和调制技术
• 1.3.2 高频链逆变器的并网控制和孤岛检测技术
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第2章 准单级高频链逆变电路拓扑
• 2.1 引言
• 2.2 准单级功率变换的概念
• 2.2.1 准单级功率变换的定义
• 2.2.2 准单级高频链逆变电路的演化
• 2.3 推挽正激式准单级高频链逆变器
• 2.3.1 电路结构和特点
• 2.3.2 工作原理分析
• 2.3.3 系统设计
• 2.3.4 系统实验研究
• 2.4 全桥式准单级高频链逆变器
• 2.4.1 主电路拓扑
• 2.4.2 主要技术指标和系统参数
• 2.4.3 系统实验研究
• 2.5 本章小结
• 第3章 准单级高频链逆变器调制和控制技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 准单级高频链逆变器的调制技术
• 3.2.1 对称组合式单极性PWM 技术
• 3.2.2 双调制波单极性PWM 调制技术
• 3.3 闭环控制技术
• 3.3.1 具有负载电流前馈的双闭环控制
• 3.3.2 二自由度PI 控制
• 3.4 闭环控制实验研究
• 3.4.1 具有负载电流前馈的双闭环控制实验
• 3.4.2 二自由度PI 控制实验
• 3.5 本章小结
• 第4章 准单级高频链逆变器并网控制技术研究
• 4.1 引言
• 4.2 并网逆变器电流跟踪控制方案
• 4.2.1 电流滞环瞬时比较方式
• 4.2.2 电流定时比较控制方式
• 4.2.3 三角载波比较电流控制方式
• 4.3 准单级高频链逆变器并网系统原理分析
• 4.3.1 并网系统结构及模型分析
• 4.3.2 并网系统控制策略
• 4.3.3 准比例谐振控制器参数设计
• 4.3.4 电网电压扰动的抑制措施
• 4.4 并网逆变系统仿真研究
• 4.5 并网逆变系统实验研究
• 4.6 本章小结
• 第5章 并网逆变系统孤岛检测技术研究
• 5.1 引言
• 5.2 并网逆变系统孤岛检测分析
• 5.2.1 无源孤岛检测方法
• 5.2.2 有源孤岛检测方法
• 5.3 具有预防虚假孤岛保护的混合孤岛检测
• 5.3.1 混合孤岛检测原理
• 5.3.2 混合孤岛检测仿真和实验研究
• 5.3.3 混合孤岛检测失效的临界状态分析
• 5.4 电压前馈正反馈扰动孤岛检测
• 5.4.1 电压前馈正反馈扰动孤岛检测原理
• 5.4.2 电压前馈正反馈扰动孤岛检测仿真结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介