基于单相背靠背结构电力电子负载的研究

摘要

当今时代，性能稳定的电源设备是保障社会正常运行的重要条件，为了保证电源设备能够满足行业标准所规定的性能指标，在出厂时需要对其进行大量的测试。传统的测试方法是利用由电阻、电感、电容、整流管等元器件组合而成的纯阻性、阻感性、阻容性以及典型非线性这些常规负载对出厂电源进行老化和带载性能测试，采用这种传统的测试方法对电源进行测试时实际负载会消耗掉大量的电能，负载消耗的电能会转化成热能，因此对电源测试车间的通风散热性能具有较高的要求、并且其灵活性差效率低，已经不符合当今时代技术发展水平。
　　本文介绍了一种基于现代电力电子技术、数字控制技术的能量回馈型单相电力电子负载模拟系统，该系统的拓扑结构是具有中间直流环节的背靠背式的拓扑结构，其核心组成单元为电压型单相全桥PWM变换器，这种能馈式电力电子负载模拟系统可以灵活地模拟实际负载对单相交流电源进行出厂测试，同时还可以将电源测试过程中从电网获取的电能回馈至电网，实现电能的循环利用，符合当今时代对技术发展的要求。
　　首先分析了能量回馈型电力电子负载模拟系统的总体结构及其工作原理，给出了系统前级负载模拟变换器在单极倍频调制方式下所有可能的电流通路，讨论了模拟特定负载时的指令参考电流生成方法，设计了主电路中交流输入输出侧电感以及中间直流电容的参数。接着分析了系统前级负载模拟变换器单元的电流单闭环控制系统和后级能量馈网变换器单元的电压电流双闭环控制系统的设计过程，模拟纯阻性、阻感性和阻容性这类线性负载时采用PI调节器对系统前级负载模拟变换器交流侧电流闭环控制系统进行校正；模拟非线性负载时采用“比例+重复”调节器对系统前级负载模拟变换器交流侧电流闭环控制系统进行校正；采用准比例谐振控制器对系统后级双闭环控制系统的电流内环进行校正；采用PI调节器对系统后级双闭环控制系统中的直流电压外环进行校正。还分析了直流母线电压叠加的纹波干扰电压的来源及其对馈网电流的影响，在后级能量馈网变换器单元控制系统设计中如何抑制直流母线纹波干扰电压带来的影响；以及系统中单相数字锁相环的原理及其设计过程。最后给出了电力电子负载模拟系统硬件实验平台的搭建过程以及控制程序编写的思路和方法，并对纯阻性负载模拟工况进行了试验验证。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究背景和意义

1.2 交流电源能量回馈型出厂测试技术发展历程及国内外现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 电力电子负载模拟系统结构及工作原理分析

2.1 本文所研究对象的系统结构及能量流动分析

2.2 单相电压型PWM变换器的分析

2.3 交流电力电子负载系统负载模拟原理与指令电流生成

2.4 主电路中电感、电容参数设计

2.5 本章小结

第3章 负载模拟变换器单元控制系统的设计

3.1 系统前级负载模拟变换器电流闭环控制系统分析

3.2 模拟线性负载时负载模拟变换器单元控制系统的设计

3.3 模拟非线性负载时负载模拟变换器单元控制系统的设计

3.4 负载模拟变换器单元的仿真结果分析

3.5 本章小结

第4章 能量馈网变换器单元的相关关键问题研究

4.1 直流母线纹波电压分析与消除

4.2 单相交流系统中锁相环的研究

4.3 能量馈网变换器单元的控制系统设计

4.4 系统后级能量馈网变换器单元的仿真分析

4.5 本章小结

第5章 系统实验平台设计与调试

5.1 系统前级与后级变换器硬件平台结构分析

5.2 前后级变换器单元硬件平台主要功能单元的设计

5.3 控制程序设计思路分析

5.4 硬件平台实验调试分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢