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基于无桥结构的级联式整流器及其控制策略研究

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导师姓名
王聪
学科专业
电力电子与电力传动
文献出处
中国矿业大学(北京)   2018年
关键词
全控型开关器件论文  级联式整流器论文  无桥整流器论文  电路结构论文  控制策略论文
论文摘要

20世纪70年代世界范围内的能源危机爆发之后,环境污染和能源短缺等问题受到了全世界各个国家的高度重视。人们已经清醒地意识到单一地依靠煤炭、石油等化石能源作为世界能源消耗的绝对主力是一条不可持续的发展道路。为了走出能源困境,人类致力于从发电和用电两个方面入手来变革当前的能源技术。从发电领域来讲,以可再生能源分布式发电为代表的高新技术在最近十多年内取得了长足的发展,为建设高效、灵活、绿色、坚强的智能电网以及能源互联网提供了一定的技术准备。但是,包括光伏、风电在内的大规模可再生能源并网发电还存在着尚未解决的技术性、政策性、经济性等问题,也尚未创造出相应的产业价值。因此,仅仅依靠发展可再生能源技术在现阶段是不足以克服当前的能源压力的。从用电领域来讲,有关数据表明,使用变频调速技术节能降耗将带来巨大的经济和社会效益。目前,全控型级联H桥多电平整流器拓扑凭借其利用低耐压器件完成中高压电能变换以及四象限运行的能力成为一种极具吸引力的中高压变频器整流级的主电路结构。但是,全控型级联H桥多电平整流器中使用了大量的全控型开关器件(Power MOSFET、IGBT等)。这些全控型开关器件一方面增加了系统控制的自由度、使变流器具备了能量的双向传输能力,但同时也增大了软硬件的复杂度、提高了成本、降低了可靠性。实际上,大多数(约70%)的工业应用不需要实现能量的双向传输,其中的典型应用包括风机、泵类等的调速系统。面向这些只需要能量单方向传输的系统,为了能够在完成既定的高性能整流的前提下合理地减少全控型开关器件的数量,可以采用单向整流功率模块代替全控型H桥模块,构成新型两象限级联式整流器,从而在完成高性能整流的同时降低系统复杂度、节约生产成本、提高系统运行的可靠性。无桥整流器作为一种单向变流器,具有结构简单、损耗较低等优点,受到学术界和工业界的广泛关注。如果采用无桥整流模块取代(或取代一部分)全控型H桥模块构成基于无桥结构的新型多电平级联式整流器来完成中高压电能变换,将带来显著优势。此外,若将此类基于无桥结构的级联式整流器主电路拓扑扩展为相应的三相结构并且应用于三相电能变换场合中,其减少全控型开关器件数量、降低成本、提高可靠性等优势将更为突出。目前,国内外相关研究还比较匮乏。基于上述背景,本文以适用于能量单方向传输的新型高频隔离级联式中高压变频器的整流级为研究对象,提出了不同工况下基于无桥结构的级联式整流器的电路拓扑及其控制策略。输入电流的波形质量是评价整流器性能的关键指标之一。因此,本文首先研究了无桥整流器的输入电流过零点畸变特性。从分析无桥整流器的四个有效工作模态入手,本文建立了其基于开关函数的稳态数学模型。由于在电流的正负半周内分别仅有一个全控型开关器件的动作对换流过程起决定性作用,且这两个全控型开关器件的源极(或发射极)电位相等,因此可以采取两个开关器件同步驱动或互补驱动这两种驱动方式,本文对这两种驱动方式的特点和对应的控制策略进行了分析和比较。在此基础上,本文结合无桥整流器交流侧变量的相量关系及其单向传输特性阐述了输入电流过零点畸变的产生机理,写出了单位功率因数下输入电流的分段表达式,并求解了输入电流的总谐波畸变率(THD),为定量评价电流的畸变程度提供了数学工具。为了探索在无桥整流器中集成一定无功补偿能力的可行性,本文对超前和滞后功率因数下的输入电流畸变特性进行了定量描述,给出了不同驱动方式和功率因数下的输入电流表达式,并据此得出非单位功率因数下采取互补驱动方式带来的输入电流畸变较小的结论。在精细解析了不同功率因数下无桥整流器输入电流波形的基础上,本文分析了输入电流的THD的允许范围对滤波电感感量、输入电流幅值和功率因数变化范围的限制,从而为实际设计中的选型工作提供了一定的理论指导。根据对无桥整流器输入电流畸变特性的分析可知,在对输入电流波形质量要求较高的场合,仅由无桥模块构成的单相级联无桥整流器往往无法满足要求,因此,可以将若干个无桥模块和若干个全控型H桥模块级联起来构成单相混合级联无桥整流器。针对这种单相混合级联无桥整流器,本文在同步旋转坐标系下建立了其数学模型。为了能够尽可能减少全控型开关器件的数量,同时确保实现高性能整流和各模块直流电压均衡,本章针对不同的功率因数和负载情况提出了混合级联无桥整流器中两种模块的混合级联组合原则,用于决定两种功率模块的个数。为了使混合级联无桥整流器有效地发挥其性能优势,需要对其进行合理、高效的控制。为此,本文提出了单相混合级联式整流器在同步旋转坐标系下的控制策略。以往的单相混合级联无桥整流器的控制策略是在静止坐标系下设计的,若使用常规的PI调节器对正弦交流量进行控制,会产生一定的稳态误差,导致控制精度降低。另外,基于静止坐标系的控制策略还必须计算和设定无桥模块和全控型H桥模块交流侧合成电压相对于电网电压的滞后角,增加了控制的难度。此外,静止坐标系下的控制策略也不易于扩展应用到三相拓扑中。针对以上不足,本文提出了同步旋转坐标系下单相混合级联无桥整流器的控制策略。该控制策略由直流侧总电压和输入电流解耦控制、交流侧合成电压分配控制和输出直流电压均衡控制三个部分组合而成,通过对两种功率模块的交流侧合成电压进行差异化地分配避免输入电流畸变,实现理想的控制效果。与静止坐标系下的控制策略相比,所提出的新型控制策略避免了计算和设定移相角的复杂过程,并且可以较为方便地扩展到三相系统中。在此基础上,本文对基于无桥结构的三相级联式整流器及其控制策略展开了研究。首先,将级联无桥结构扩展到三相系统中,构成三相级联无桥整流器的主拓扑。由于电路结构的差异,三相级联无桥整流器和单相级联无桥整流器的输入电流在过零点处受到不同因素的影响,表现出不同的特点。针对这一现象,本文结合数学模型从理论上阐明了三相级联无桥整流器交流侧的星接中性点相对于三相电源中性点的电压(简称为中性点电压)对于输入电流过零点畸变的抑制作用。在此基础上,本文提出了可用于三相级联无桥整流器的三层控制策略。但是,当三相负载不平衡程度过大时,通过注入零序电压的方法实现相间电压均衡时可能导致三相输入电流产生较大的畸变。更加重要的是,当要求输入电流超前或滞后于电网电压的角度过大时,三相输入电流也会产生较大的畸变。因此,本文提出当三相负载不平衡程度较大或要求的功率因数变化范围较大时可采用三相混合级联无桥整流器。本文首先在同步旋转坐标系下建立了三相混合级联无桥整流器的稳态数学模型,之后提出了包括直流侧总电压和电流解耦控制、相间电压均衡控制、相内电压均衡控制的三层控制策略。其中,直流侧总电压和电流解耦控制中包含了对两种模块交流侧合成电压的差异化分配。在实现相间电压均衡时,同样需要对有待注入的零序电压在每相内的无桥模块和全控型H桥模块之间实施差异化的分配,最终确保无桥模块的交流侧合成电压始终保持与所在相的输入电流极性相同,从而避免造成输入电流的过零点畸变。依据本文所讨论的电路拓扑和对应的控制策略,在Matlab/Simulink环境下搭建了基于无桥结构的单相和三相级联式整流器的仿真模型,对所提理论进行了计算机仿真验证。同时,运用模块化的设计思路搭建了单相系统和三相系统兼容、电路结构易于调整的小功率实验样机,分别针对单相无桥整流器、单相混合级联无桥整流器、三相级联无桥整流器和三相混合级联无桥整流器的有关理论进行了小功率实验验证。通过对仿真和实验波形的分析证实了所提理论的有效性和正确性,并为后续研究打下了良好的实验基础。最后,总结了全文工作、概括了主要创新点,并对今后的研究内容进行了展望。

论文目录
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摘要

abstract

1 引言

1.1 课题背景和研究意义

1.1.1 课题背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 中高压变频器主电路结构的研究现状

1.2.2 多电平变换器的研究现状

1.2.3 无工频变压器级联H桥多电平变换器的研究现状

1.2.4 两象限级联式多电平整流器的研究现状

1.2.5 基于无桥结构的级联式整流器的关键问题

1.3 论文的主要创新点和结构安排

1.3.1 主要创新点

1.3.2 论文的结构安排

1.4 本章小结

2 单相无桥整流器的输入电流过零点畸变特性

2.1 无桥整流器的基本原理

2.1.1 拓扑描述和有效工作模态

2.1.2 开关函数数学模型

2.2 开关管驱动方式

2.2.1 开关管同步驱动

2.2.2 开关管互补驱动

2.3 输入电流的过零点畸变特性

2.3.1 输入电流过零点畸变的机理

2.3.2 电流、电压同相位时的输入电流畸变特性

2.3.3 电流超前电压时的输入电流畸变特性

2.3.4 电流滞后于电压时的输入电流畸变特性

2.4 电流畸变对滤波电感、输入电流幅值和功率因数范围的限制

2.5 本章小结

3 单相混合级联无桥整流器及其控制策略

3.1 工作原理和稳态数学模型

3.1.1 拓扑描述

3.1.2 稳态数学模型

3.2 混合级联组合原则

3.2.1 确定混合级联组合原则的基础条件

3.2.2 单位功率因数下的混合级联组合原则

3.2.3 滞后功率因数下的混合级联组合原则

3.2.4 超前功率因数下的混合级联组合原则

3.3 基于双dq变换的混合级联无桥整流器的控制策略

3.3.1 交流侧合成电压的分配原则

3.3.2 单位功率因数下的控制策略

3.3.3 超前功率因数下单相混合级联无桥整流器的控制策略

3.3.4 滞后功率因数下单相混合级联无桥整流器的控制策略

3.4 本章小结

4 基于无桥结构的三相级联式整流器及其控制策略

4.1 三相级联无桥整流器中性点电压对输入电流畸变的抑制作用

4.1.1 拓扑描述

4.1.2 中性点电压对输入电流畸变的抑制作用

4.2 三相级联无桥整流器的控制策略

4.2.1 直流侧总电压和输入电流解耦控制

4.2.2 相间电压均衡策略

4.2.3 相内电压均衡策略

4.3 三相混合级联无桥整流器及其控制策略

4.3.1 拓扑描述

4.3.2 控制策略

4.4 本章小结

5 仿真与实验分析

5.1 仿真分析

5.1.1 单相无桥整流器的输入电流过零点畸变仿真分析

5.1.2 基于无桥结构的单相级联式整流器在单位功率因数下的仿真分析

5.1.3 基于无桥结构的单相级联式整流器在滞后功率因数下的仿真分析

5.1.4 基于无桥结构的单相级联式整流器在超前功率因数下的仿真分析

5.1.5 三相级联无桥整流器的仿真分析

5.1.6 三相混合级联无桥整流器的仿真分析

5.2 实验分析

5.2.1 样机设计简述

5.2.2 单相无桥整流器输入电流畸变特性的实验分析

5.2.3 基于无桥结构的单相级联式整流器的实验分析

5.2.4 基于无桥结构的三相级联式整流器的实验分析

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文的主要工作与结论

6.2 论文的主要创新点

6.3 今后工作展望

参考文献

致谢

作者简介及攻读期成果

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