基于LLC谐振的无工频牵引变压器的交直变换系统研究

摘要

随着软开关技术被越来越多的关注，有学者提出了基于谐振变换器的牵引交直变换系统研究思路。谐振变换器可以有效利用变压器漏感，解决漏感尖峰电压，开关管的ZVS开通，减少开关管损耗等，能够实现高效率、高功率密度的能量传输。本文即是对基于LLC的无工频牵引变压器的交流变换系统进行的研究，它取消了工频变压器，可以取代传统传动系统中的交直部分。该系统输入端级联四象限变换器，输出端并联双向半桥LLC谐振变换器。主要研究工作如下:
　　1、对基于LLC的无工频变压器牵引交直变换系统主电路进行研究。分析了前级单级四象限变换器电路的工作原理、工作模式及载波移相技术应用对网侧电流谐波的改善及其造成的输出电压不平衡;基于牵引工况的全负载范围运行，明确后级双向半桥LLC谐振谐振变换器主要实现变压和电气隔离，充当直流变压器作用，并对其拓扑结构进行了选型，分析了其工作原理和直流增益特性。
　　2、对牵引变换系统的主电路参数进行设计，包括系统级联模块数目的选定，开关器件及变压器工作频率的确定，根据跟踪特性分析求得四象限变换器交流侧电感和直流侧支撑电容的取值范围，谐振网络参数的优化设计，以及输出电容的计算推导。
　　3、通过建立级联四象限变换器等效空间模型，推导出电压、电流双闭环的均压控制策略;分析造成双向半桥LLC谐振变换器输出电流不均衡的因素，讨论其误差容许范围;给出双向半桥LLC谐振变换器的换向控制策略。
　　4、结合CRH5型动车的交流传动系统的额定参数，在MATLAB/SIMULINK上搭建了一个基于该动力模块的交直变换系统，仿真分析了该变换系统载波移相闭环控制下模块间均压效果及双向LLC变换器的全负载范围工作，并对变换系统在牵引、再生制动工况切换、网压幅值波动、网压频率波动、负载突变、电压指令突变等工况变化下的稳定性进行了验证。
　　仿真结果表明:该变换系统能够保证网侧功率因数为1的基础上，实现直流侧电压稳定输出，并且能量可双向传递。双向LLC变换器通过开环定频控制，结合激磁电感、死区时间及相关谐振参数的优化，实现了在全负载范围内的恒定直流增益运行。基于载波移相、多PR、FMA的双闭环控制能使系统良好稳定运行，可实现变换系统模块间的输入均压控制。因此仿真进一步验证了理论分析的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 课题研究的意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文的主要工作

第2章 基于LLC无工频变压器变换系统主电路原理分析

2．1 牵引交直变换系统拓扑

2．2 四象限变换器

2．2．1 四象限变换器的工作原理

2．2．2 四象限变换器的工作过程

2．2．3 级联四象限变换器的调制方法

2．2．4 载波移相对网侧电流谐波的改善机理分析

2．2．5 级联四象限变换器输出电压不平衡机理分析

2．3 双向半桥LLC谐振变换器

2．3．1 双向半桥LLC谐振变换器的拓扑选定

2．3．2 双向半桥LLC谐振变换器的工作原理分析

2．3．3 双向半桥LLC谐振变换器的直流增益特性分析

2．4 本章小结

第3章 基于LLC无工频变压器变换系统主电路参数设计

3．1 变换系统额定参数

3．2 级联模块数N的选定

3．3 开关器件的选定

3．4 开关频率的选择

3．5 交流侧电感的设计

3．6 四象限变换器输出直流侧支撑电容的设计

3．7 LLC谐振网络参数的设计

3．7．1 激磁电感最优化整定设计

3．7．2 谐振电感、谐振电容的设计

3．7．3 优化设计下谐振网络的工作特性分析

3．8 输出电容

3．9 本章小结

第4章 基于LLC无工频变压器变换系统控制策略

4．1 级联四象限变换器的数学模型建立

4．2 级联四象限变换器控制策略

4．2．1 电压外环控制环节的优化

4．2．2 电流内环控制环节的优化

4．2．3 级联四象限变换器输出电压均衡控制原理

4．3 级联四象限变换器控制算法

4．4 双向半桥LLC谐振变换器输出电流不均衡的机理分析

4．5 双向半桥LLC谐振变换器的换向控制策略

4．6 本章小结

第5章 基于LLC无工频变压器变换系统仿真分析

5．1 交直变换系统的主电路仿真参数选取

5．2 交直变换系统的仿真模型

5．3 级联四象限变换器的仿真验证

5．4 双向半桥LLC谐振变换器的仿真验证

5．5 交直变换系统各种工况的仿真验证

5．5．1 额定工况的仿真验证

5．5．2 负载突变的仿真验证

5．5．3 网压波动的仿真验证

5．5．4 电压指令突变的仿真验证

5．5．5 牵引制动工况转换的仿真验证

5．6 本章小结

结论

致谢

参考文献