应用于电动汽车充电机的高功率密度三相VIENNA整流器研究

摘要

随着电力电子装置应用数量的增加，无功及电网谐波污染日趋严重。治理电网污染已成为电力电子应用领域的一个重大研究方向。在新能源电动汽车用户日益增多的发展趋势下，充电机接入配电系统时对电网的影响不容忽视，因此当前对充电机前级电路的网侧电能质量提出了更高的要求。此外，新型充电机应具有模块化可并联特点，有助于未来充电站的扩容和应用成本的减少，为此对新能源电动汽车充电机的高功率密度、高可靠性和高性价比提出了更高的要求。
　　论文针对电动汽车充电机的应用要求，研究前级三相高功率因数VIENNA整流器的工作原理和控制策略。在分析了VIENNA整流器工作原理的基础上，分别在三相静止(abc)坐标系、两相静止(αβ)坐标系和两相同步旋转(dq)坐标系下建立了VIENNA整流器的数学模型和相应的等效电路;针对VIENNA电路直流输出中点电位不平衡问题，建立了用于中点电位平衡控制的数学模型，揭示了中点电位不平衡的机理。
　　基于VIENNA电路在dq坐标系下的数学模型，本文在双闭环控制的基础之上，首先提出了一种改进型双前馈控制策略，即在传统占空比前馈控制的基础上，提出一种基于前馈系数自适应调节的占空比前馈控制，和输出电压变化量的前馈控制相结合方法，从而改善了直流输出电压的动态响应速度。然后根据电流环和电压环的传递函数，给出了控制参数的整定方法。此外推导了中点电位平衡控制的传递函数，并给出了相应的控制参数。
　　针对电动汽车充电机的高功率密度应用要求，本文提出了一种数模混合移相倍频调制策略，生成的驱动脉冲信号频率是载波信号频率的2倍，即利用低频载波实现高开关频率，因而程序运算资源得到大大增加，从而使得先进而复杂的控制算法能在低成本的数字控制芯片中得以实现。因此本文提出的数模混合移相倍频调制策略，一方面可以提高变换器的功率密度，另一方面还能提高充电机的性价比。
　　针对非隔离电动汽车充电机的共模漏电流问题，本文提出了一种基于改进型LCL滤波器的共模漏电流抑制方法，该方法未引入任何额外器件，而是通过重新组合交流侧的无源器件，即在不增加成本的情况下，保证了VIENNA整流器的高可靠性和高功率密度。在理论分析基础上，本文对VIENNA整流器的主要硬件电路和软件进行了设计。给出了VIENNA整流器主电路及其控制电路主要参数的设计方法，并给出了主要程序的流程图。论文选用TI公司的数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP) TMS320F28035为控制核心，搭建了5kW VIENNA整流器的实验样机。最后仿真和实验结果验证了本文理论分析的正确性和设计的可行性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 电动汽车充电机前级功率因数校正技术的研究概况

1．3 三相功率因数校正电路拓扑的研究现状

1．3．1 常用的功率因数校正电路

1．3．2 基于VIENNA电路拓扑的高功率因数校正电路

1．4 VIENNA整流器控制策略

1．5 高性能VIENNA整流器的研究现状

1．6 本文的主要研究内容

第二章 VIENNA整流器工作原理及建模

2．1 VIENNA整流器的工作原理分析

2．2 VIENNA整流器的数学模型

2．2．1 三相静止abc坐标系下的数学模型

2．2．2 两相静止αβ坐标系下的数学模型

2．2．3 同步旋转dq坐标系下的数学模型

2．3 中点电位平衡的数学模型

2．4 本章小结

第三章 VIENNA整流器控制策略的研究

3．1 VIENNA整流器控制系统的设计

3．1．1 改进型双前馈控制策略的提出

3．1．2 双闭环控制参数的整定

3．1．3 中点电位平衡控制策略

3．2 数模混合移相倍频调制策略的提出

3．3 本章小结

第四章 VIENNA整流器的性能优化和设计

4．1 基于改进型LCL滤波器的共模漏电流抑制方法

4．2 功率电路参数的设计

4．2．1 直流输出电容的设计

4．2．2 改进型LCL滤波器的设计

4．2．3 功率开关管的选择

4．2．4 功率二极管的选择

4．3 控制电路设计

4．3．1 采样电路设计

4．3．2 驱动电路设计

4．3．3 软起动电路设计

4．4 控制系统的软件设计

4．5 本章小结

第五章 仿真和实验结果分析

5．1 基于PSIM仿真和仿真结果分析

5．1．1 移相倍频驱动的仿真

5．1．2 中点电位平衡控制的仿真

5．1．3 稳态仿真分析

5．1．4 动态仿真分析

5．1．5 漏电流仿真分析

5．2 实验结果与分析

5．3 整机性能测试

5．3．1 漏电流性能测试

5．3．2 样机效率、功率因数和谐波测试

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研项目

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