高功率密度DC-AC变流器并联系统研究

摘要

在航空、机场和船舶机车等场合中，对中频DC-AC变流器的功率密度、功率等级、体积和重量的要求不断提高。本文以研制两台6kVA高功率密度中频输出DC-AC变流器为研究目标，并通过并联控制实现了冗余和大容量供电。采用前级DC-DC和后级DC-AC两级变换结构，在进行电气隔离的同时，实现了高功率密度。
　　首先，本文介绍了DC-DC变换器和DC-AC变换器的一些典型拓扑结构并分析了各自的优缺点，根据项目要求提出了前级IPOS（Input Parallel Output Series）结构的ZVS（Zero Voltage Switching）移相全桥变换器、后级三相四线T型三电平逆变器的两级变换方案。前级DC-DC部分通过高频变压器隔离可以有效减小变压器的体积和重量，通过移相全桥的带载软开关特性可以使系统效率有所提升。后级使用三电平逆变器结构，有利于减小电磁干扰，降低输出电压谐波含量，所需的输出滤波电感体积和重量也有所降低，提高了装置的功率密度。
　　其次分别对前级DC-DC和后级DC-AC系统进行电气参数和控制参数设计。前级采用模拟控制系统，两个移相全桥模块独立控制，通过合适的补偿环路设计实现系统快速响应解决了两级变换结构中间级电容容量较大的问题，能够在逆交器带负载情况下保证输出电压稳定。后级采用数字控制系统，针对中频逆变电源的特点，采用带负载电流前馈的电压电流瞬时值双闭环控制策略，并将PR（Proportional Resonant）控制器应用于逆变器控制系统中。
　　最后介绍了两台变流器组成的系统的并联控制策略，采用功率下垂控制方式进行并联，具有无互联通信线、可靠性高、冗余性好等特点，在分析后级逆变器并联环流和功率下垂特性的基础上，引入虚拟阻抗，实现了输出阻抗可设计的目的，减小了有功无功功率的耦合程度，抑制了并联系统环流，提高了功率均分性能。通过软件仿真和实验结果验证了所提出方案和控制策略的有效性和可行性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 隔离型DC-DC变换器简介

1．2．1 隔离型DC-DC变换器分类

1．2．2 典型隔离型DC-DC变换器简介

1．3 三相逆变器的拓扑简介

1．3．1 三相三线逆变器

1．3．2 三个单相构成的三相逆变器

1．3．3 分裂电容式三相四线逆变器

1．3．4 带△／Y0变压器的三相逆变器

1．3．5 三相四桥臂逆变器

1．3．6 上下独立电源三相四线逆变器

1．4 多电平技术简介

1．4．1 二极管箝位型三电平结构

1．4．2 飞跨电容型三电平结构

1．4．3 级联H桥三电平结构

1．4．4 T型三电平结构

1．5 本文研究内容

2 IPOS移相全桥变换器分析与设计

2．1 整体结构设计

2．2 移相全桥变换器简介和主要问题分析

2．2．1 工作原理分析

2．2．2 ZVS软开关条件

2．2．3 占空比丢失问题

2．3 电气参数设计

2．3．1 器件选择

2．3．2 输入电容设计

2．3．3 隔直电容设计

2．3．4 变压器设计

2．3．5 输出滤波器设计

2．4 控制参数设计

2．4．1 移相全桥变换器模型

2．4．2 电压闭环控制设计

2．5 仿真与实验

2．5．1 仿真验证

2．5．2 实验验证

3 三相四线T型三电平逆变器分析与设计

3．1 T型三电平逆变器原理分析

3．1．1 工作原理分析

3．1．2 调制方式

3．2 电气参数设计

3．2．1 器件选择

3．2．2 输出滤波器设计

3．3 控制参数设计

3．3．1 三相四线PWM逆变器模型

3．3．2 比例谐振控制器特性

3．3．3 电压电流双环控制设计

3．4 仿真与实验

3．4．1 仿真验证

3．4．2 实验验证

4 变流器并联系统分析与设计

4．1 逆变器并联策略简介

4．1．1 有线并联控制策略

4．1．2 无线并联控制策略

4．2 功率下垂控制策略分析

4．2．1 并联系统环流分析

4．2．2 不同阻抗条件下的功率下垂特性

4．3 基于虚拟阻抗的输出阻抗设计

4．3．1 逆变器等效模型

4．3．2 基于虚拟阻抗的输出阻抗设计

4．4 下垂控制器参数设计

4．5 仿真与实验

4．5．1 仿真验证

4．5．2 实验验证

5 总结和展望

5．1 工作总结

5．2 工作展望

参考文献

硕士期间发表的论文

附录