基于雙向開關(guān)型的電力電子變換器研究.pdf

1、電力電子裝置在工業(yè)和生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，隨之給人們也帶來了一系列的新問題：無功和諧波問題日益嚴(yán)重，變換器效率仍然較低，電磁干擾依然嚴(yán)重，環(huán)境繼續(xù)惡化等。在提倡節(jié)能降耗的背景下，電力電子雙向開關(guān)在AC/AC和AC/DC單級(jí)變換器中的應(yīng)用成為了近年來的研究熱點(diǎn)之一。這種單級(jí)變換器具有高功率因數(shù)、能量可雙向流動(dòng)、變換效率高、節(jié)能效果明顯、控制簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良以及對(duì)電網(wǎng)污染小等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。 本文緊緊圍繞著電力電子雙向

2、開關(guān)在單級(jí)變換器中的應(yīng)用及其控制系統(tǒng)展開研究，主要對(duì)交流直接變換器和三相Buck 型高頻隔離雙向開關(guān)整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)學(xué)模型、主電路設(shè)計(jì)、控制策略及系統(tǒng)性能改善等方面進(jìn)行研究。本文的主要工作和取得的研究成果如下： （1）將電力電子雙向開關(guān)應(yīng)用于傳統(tǒng)的直流基本變換電路拓?fù)渥澹⒁噪娏﹄娮与p向開關(guān)的多種電路形式為基礎(chǔ)，將單管電力電子雙向開關(guān)和雙管電力電子雙向開關(guān)結(jié)合進(jìn)行電路拓?fù)涓倪M(jìn)，提出交流基本變換電路拓?fù)渥濉８鶕?jù)上述拓?fù)渥宓碾娐?/p>

3、結(jié)構(gòu)的差異，將現(xiàn)有的交流基本變換電路拓?fù)渥宸譃殡妷涸葱徒涣骰咀儞Q電路拓?fù)渥搴碗娏髟葱徒涣骰咀儞Q電路拓?fù)渥澹?）以上述的交流基本變換電路拓?fù)渥鍨榛A(chǔ)，對(duì)矩陣變換器的基于電壓或電流方向的四步換流法進(jìn)行分析，通過檢測(cè)輸入電壓的極性方向預(yù)測(cè)續(xù)流電流的極性方向，提出基于電流預(yù)測(cè)方向和互補(bǔ)PWM 合成的兩步換流法。當(dāng)實(shí)際續(xù)流電流的極性方向與電流預(yù)測(cè)的極性方向相同時(shí)，主控開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管將實(shí)現(xiàn)非互補(bǔ)的續(xù)流PWM 控制，當(dāng)實(shí)際續(xù)流電流的極性方向與

4、電流預(yù)測(cè)的極性方向不同時(shí)，主控開關(guān)管和續(xù)流開關(guān)管將實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)PWM 控制。仿真分析驗(yàn)證了該電路拓?fù)浜蜕鲜鯬WM 換流方案的可行性。 （3）以Buck 型交流斬波的正弦波調(diào)光模塊為基礎(chǔ)，為了減小交流雙向開關(guān)的二極管反向恢復(fù)電流，對(duì)交流雙向開關(guān)在電路中的應(yīng)用進(jìn)行了緩沖設(shè)計(jì)，減小了換流過渡過程中di/dt和dv/dt 沖擊問題。在雙向開關(guān)器件之間提供低阻分流之路限制器件的浪涌電壓，有效的保障了電路的工作安全，降低了開關(guān)損耗，提高系統(tǒng)效率

5、。為了改善系統(tǒng)在輕載或空載情況下的振蕩問題，對(duì)輸出濾波器進(jìn)行改進(jìn)，在系統(tǒng)狀態(tài)空間模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)占空比前饋的雙閉環(huán)控制，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)精度的前提下改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)系統(tǒng)的磁性元件和EMI 濾波器進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)多模塊并聯(lián)運(yùn)行的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析。最終通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述主電路設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的可行性。 （4）對(duì)三相Buck 電流型整流器（CSR）的電路拓?fù)溥M(jìn)行分析，建立三相abc靜止坐標(biāo)系下和dq 同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)

6、系下的數(shù)學(xué)模型，對(duì)三相電流型整流器模型進(jìn)行靜態(tài)特性、有功、無功功率以及系統(tǒng)的單位功率因數(shù)控制進(jìn)行分析。在上述基礎(chǔ)上，進(jìn)行三相電流空間矢量PWM 調(diào)制分析，并對(duì)電流變換器的SPWM和SVPWM的電流利用率進(jìn)行討論，闡述了電流控制的原理和方法，為后面的三相Buck 型高頻隔離雙向開關(guān)整流器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。 （5）以三相Buck 型高頻隔離雙向開關(guān)整流器的工作原理和數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，深入地對(duì)其三相PWM 調(diào)制策略及換相進(jìn)行分析

7、，給出三相Buck 型高頻隔離雙向開關(guān)整流器的主電路結(jié)構(gòu)及硬件參數(shù)設(shè)計(jì)。以三相Buck 型高頻隔離雙向開關(guān)整流器的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，給出了其雙閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在輸出直流電壓控制的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)的高功率因數(shù)和低輸入電流電流諧波畸變率。本文從變壓器的直流磁偏分析入手，提出基于電流峰值控制的數(shù)字化直流磁偏控制，并取得較好的直流磁偏控制效果。 接著針對(duì)直流變換器的數(shù)字化控制中出現(xiàn)的數(shù)字極限環(huán)振蕩現(xiàn)象，本文給出基于誤差累積的數(shù)字PWM的