单极性电压源高频链逆变电源的研制

论文摘要

随着现代科技的进步,传统的不可再生能源日趋枯竭,世界各国都在致力于开发利用传统不可再生能源如石油、天然气、煤,以及新能源诸如太阳能、风能、燃料电池等。如何更好地开发和利用能源以实现“节能减排”已经成为了21世纪人类面临的重大课题之一。作为能量可双向流动的高频链逆变器,其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对能源的利用有着举足轻重的意义,是光伏发电系统、风力发电系统、燃料电池发电系统及不间断电源(UPS)的技术核心。本文提出了一种新型双向电压源高频链逆变器的单极性移相控制策略,并对双向电压源高频链逆变器的拓扑结构进行了详细的模态分析,利用高频链逆变技术及新型移相控制器UCC3895研制了一台2kW的实验样机。本文在目前现有的各种高频链逆变器拓扑结构、控制策略的分析研究基础之上,提出了一种新型的基于全桥全波式双向电压源高频链逆变器的单极性移相控制策略,详细分析了该逆变器拓扑结构的工作原理,并对其高频链变压器的原端电压进行了谐波分析及直流偏磁研究。该拓扑结构由全桥逆变器、高频链变压器及周波变换器构成,结构简单,具有双向功率流、两级功率变换,提高了逆变效率。新型的单极性移相控制策略采用峰值电流控制方案对高频功率开关进行控制,以实现纯正弦波的输出电压波形。文中建立了高频链逆变电源主电路拓扑的状态空间模型,在频域内对高频链逆变电源系统的电压反馈控制回路进行了PI调节及网络补偿。反馈控制回路有足够的相位及幅值裕度,其动态响应速度快,系统静态误差得到了消除。基于MATLAB/Simulink软件平台仿真分析了高频链逆变电源系统的主电路拓扑及电压反馈控制回路,并研制了一台2kVA,48VDC/220V,50Hz AC的原理实验样机。仿真及实验验证了高频链逆变电源系统的主电路拓扑分析、新型单极性移相控制策略及控制回路频域分析的正确性,其结果表明:该控制策略实现了高频链变压器漏感能量和输出滤波电感电流的自然换流,周波变换器功率开关的ZVS工作,解决了其电压过冲问题,减少了开关损耗,逆变效率高,输出正弦电压波的正负对称性好,且在实际应用中易于工程实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 逆变技术
• 1.2.1 传统逆变技术
• 1.2.2 高频链逆变技术
• 1.3 软开关技术
• 1.4 国内外高频链逆变技术和软开关技术的研究现状及分析
• 1.4.1 高频链逆变技术的研究现状及分析
• 1.4.2 软开关技术的研究现状及分析
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 高频链逆变电源的结构及工作原理分析
• 2.1 主电路拓扑结构
• 2.2 控制原理
• 2.2.1 单极性移相控制原理
• 2.2.2 电压反馈闭环控制原理
• 2.3 逆变器工作模态分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 单极性SPWM波谐波分析及高频链逆变压器直流偏磁的研究
• 3.1 单极性SPWM波谐波分析
• 3.1.1 规则采样法及SPWM波谐波分析
• 3.1.2 不规则采样法及SPWM波谐波分析
• 3.1.3 SPWM波谐波仿真及结果分析
• 3.2 高频链变压器直流偏磁的研究
• 3.2.1 直流偏磁产生的机理
• 3.2.2 直流偏磁的抑制措施及仿真分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 高频链逆变电源的控制回路设计及分析
• 4.1 状态空间模型的建立
• 4.2 电压反馈环补偿网络最优设计
• 4.2.1 开环控制回路频域分析
• 4.2.2 闭环控制回路的频域分析
• 4.2.3 补偿网络最优设计
• 4.3 控制回路频域仿真及结果分析
• 4.3.1 开环控制回路频域仿真
• 4.3.2 闭环控制回路的频域仿真
• 4.3.3 补偿网络最优设计仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 高频链逆变电源系统的仿真设计及分析
• 5.1 开环控制的高频链逆变电源的仿真设计及分析
• 5.1.1 移相SPWM控制器设计
• 5.1.2 高频链全桥逆变器设计
• 5.1.3 周波变换器设计
• 5.1.4 仿真结果及其分析
• 5.2 电压反馈闭环控制的仿真设计及分析
• 5.2.1 电压反馈环设计
• 5.2.2 仿真结果及其分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 高频链逆变电源系统的硬件设计及实现
• 6.1 主电路设计
• 6.1.1 高频链变压器设计
• 6.1.2 功率开关器件的选择
• 6.1.3 输出滤波器设计
• 6.2 控制电路设计
• 6.2.1 驱动电路
• 6.2.2 同步驱动产生及电压给定电路
• 6.2.3 检测电路
• 6.2.4 补偿网络及PI调节器
• 6.2.5 保护电路
• 6.3 原理实验及结果分析
• 6.3.1 控制电路的原理实验及结果分析
• 6.3.2 主电路的原理实验及结果分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢