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多变换器模块串并联组合系统研究

作　者: 陈武
导　师: 阮新波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 全桥变换器逆变器串并联组合系统控制策略均流/均压电力电子系统集成
分类号: TM461
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

将多个标准化的电力电子变换器模块在输入和输出侧分别串联或并联,可以得到多变换器模块串并联组合系统,它可以降低系统的开发难度、降低开发成本、缩短研发周期、提高系统可靠性等。本文将系统研究分别以DC/DC变换器和DC/AC逆变器为基本模块组成的多变换器模块串并联组合系统。本文研究内容主要包括三个部分。第一部分包括第二章和第三章,研究全桥变换器的改进电路拓扑。采用移相控制方法,全桥变换器可以实现开关管的零电压开关,并且开关频率恒定,有利于优化设计变压器和滤波器,因此特别适合作为DC/DC变换器串并联组合系统的基本模块。为了消除输出整流二极管的电压尖峰,可以在全桥变换器的原边引入两只箝位二极管。但箝位二极管导通时,谐振电感被短路,其电流保持不变,导致原边导通损耗较大。为了解决此问题,第二章在全桥变换器的变压器中增加一个复位绕组,与谐振电感串联,从而使箝位二极管的电流快速减小到零,降低了原边导通损耗,提高了变换效率。但当负载较轻时,复位绕组无法使箝位二极管电流快速减小到零,造成箝位二极管的硬关断,产生较大的反向恢复损耗。为此,第三章进一步提出加辅助变压器的全桥变换器,通过增加的辅助变压器,可以使箝位二极管电流在任意负载下都能快速减小到零,从而降低原边的导通损耗和避免箝位二极管的硬关断,提高变换器的可靠性。第二部分包括第四章和第五章,研究以DC/DC直流变换器为基本模块的串并联组合系统控制策略。根据联结方式不同,多变换器串并联组合系统可以分为四种基本类型,即输入并联输出并联(Input-parallel output-parallel, IPOP)、输入并联输出串联(Input-parallel output-series, IPOS)、输入串联输出并联(Input-series output-parallel, ISOP)和输入串联输出串联(Input-series output-series, ISOS)。对于DC/DC变换器串并联组合系统,已有的文献都只涉及这四类系统中的某一类或者两类,没有分析四类系统之间的内在联系。第四章从输入输出功率平衡的角度,系统分析DC/DC变换器串并联组合系统中各模块的输入均压/均流与输出均压/均流的关系,指出如果保证输入均压/均流,则可自然实现输出均压/均流;反之,如果保证输出均压/均流,则自然实现输入均压/均流。进一步的分析表明,输入侧并联的组合系统既可以采用输入均流控制,也可以采用输出均流(IPOP系统)或者输出均压(IPOS系统)控制;而对于输入侧串联的组合系统,采用输出均流控制时系统不稳定,只能采用输入均压控制。在此基础上,提出一种适用于四类串并联组合系统的通用控制策略,它不但可以实现系统中各模块的输入均压/均流或者输出均压/均流,而且还实现了输入均压/均流或者输出均压/均流控制与系统输出电压控制的解耦。进一步地,提出模块化的多变换器串并联组合结构,其特点是单个变换器模块均可以独立工作,在组成系统时,只需通过相应母线就可实现各模块的均压/均流。对于ISOP DC/DC串并联组合系统,第五章从变换器模块输入阻抗这一角度,揭示了采用输出均流控制不稳定的原因,指出各模块输入阻抗为负阻特性是系统不稳定的根本原因。为保证ISOP DC/DC系统稳定,本文提出“正阻”的概念。并由此推导出三环控制策略以及保证系统稳定的输入均压环最低增益。第三部分第六章和第七章,研究以DC/AC逆变器为基本模块的串并联组合系统控制策略。对于DC/AC逆变器串并联组合系统,已有文献都只涉及四类串并联组合系统中的某一类。第六章从输入输出功率平衡角度,分析各模块的输入均压/均流与输出均压/均流的关系,指出若控制各逆变器模块的输入均压/均流,只能保证各逆变器模块的输出有功功率相等,而无功功率未必相等;如保证各逆变器模块的输出均压/均流,则可自然实现各逆变器模块的输入均压/均流,但对于输入串联型组合系统(包括ISOP和ISOS系统)来说是不稳定的。因此,输入并联型逆变器组合系统(包括IPOP和IPOS系统),既可以采用输出均压/均流控制策略,也可以采用组合式输入均流控制策略,但后者实现起来较为复杂;对于输入串联型逆变器组合系统(包括ISOP和ISOS系统),只能采用组合式输入均压控制策略,即在控制各逆变器模块输入均压基础上,还需要保证各逆变器模块输出电流(ISOP系统)或者输出电压(ISOS系统)的幅值或相位相同。基于上述结论,第七章针对ISOP逆变器组合系统,提出一种采用输出电流反馈的控制策略。无论各逆变器模块的输出滤波电容是否匹配,该控制策略都可以很好地实现输出均流。同时,该控制策略还实现了输入均压闭环与系统输出电压闭环的解耦,便于对输入均压环和系统输出电压环进行设计。讨论了前级直流变换器的环路设计,指出为了减小前级直流变换器功率器件的电流应力,前级直流变换器的电压环截止频率一般取为后级逆变器输出频率的1/5左右。根据第五章提出的“正阻”概念,对控制策略中的输入均压环进行了参数设计,指出输入均压环补偿器增益大于某一特定值,否则系统将不稳定。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-12
图表清单  12-15
注释表  15-17
第一章绪论  17-39
  1.1 电力电子技术的发展现状和趋势  17-19
  1.2 电力电子系统集成概况  19-20
  1.3 多变换器模块串并联组合系统  20-34
    1.3.1 DC/DC 变换器串并联组合系统  22-26
    1.3.2 DC/AC 逆变器串并联组合系统  26-33
    1.3.3 AC/DC 整流器串并联组合系统  33-34
    1.3.4 AC/AC 变频器串并联组合系统  34
  1.4 ZVS PWM 全桥变换器的研究现状  34-37
    1.4.1 ZVS PWM 全桥变换器  35
    1.4.2 ZVZCS PWM 全桥变换器  35-36
    1.4.3 加箝位二极管的ZVS PWM 全桥变换器  36-37
  1.5 本文研究意义及主要研究内容  37-39
    1.5.1 本文研究意义  37
    1.5.2 论文主要研究内容  37-39
第二章加复位绕组的ZVS PWM 全桥变换器  39-49
  2.1 引言  39
  2.2 箝位二极管电流复位方式  39-41
  2.3 加复位绕组的ZVS PWM 全桥变换器  41-45
  2.4 加复位绕组的ZVS PWM 全桥变换器的特性  45-46
    2.4.1 导通损耗  45
    2.4.2 变压器匝比关系  45
    2.4.3 复位绕组选择  45-46
  2.5 实验验证  46-48
  2.6 本章小结  48-49
第三章加辅助变压器的 ZVS PWM 全桥变换器  49-65
  3.1 引言  49
  3.2 加箝位二极管的ZVS PWM 全桥变换器轻载情况分析  49-54
  3.3 加辅助变压器的ZVS PWM 全桥变换器  54-60
    3.3.1 重载情况分析  54-58
    3.3.2 轻载情况分析  58-60
  3.4 加辅助变压器的ZVS PWM 全桥变换器的特性  60-61
    3.4.1 导通损耗  60
    3.4.2 辅助变压器的设计  60-61
  3.5 实验验证  61-64
  3.6 本章小结  64-65
第四章 DC/DC 变换器串并联组合系统的通用控制策略  65-83
  4.1 引言  65
  4.2 输入均压/均流与输出均压/均流的关系  65-69
    4.2.1 IPOP 系统  66-67
    4.2.2 IPOS 系统  67
    4.2.3 ISOP 系统  67-68
    4.2.4 ISOS 系统  68-69
  4.3 系统稳定性分析  69-71
    4.3.1 输入均压/均流控制策略  69-70
    4.3.2 输出均压/均流控制策略  70-71
  4.4 串并联组合系统通用均压/均流控制策略  71-74
  4.5 模块化多变换器串并组合系统结构  74-76
  4.6 实验验证  76-82
  4.7 本章小结  82-83
第五章 ISOP DC/DC 组合系统控制策略  83-94
  5.1 引言  83
  5.2 ISOP 系统控制方案  83-84
  5.3 ISOP 系统三环控制策略分析  84-89
    5.3.1 正阻特性单元的提出  84-87
    5.3.2 三环控制策略的推导  87-88
    5.3.3 输入均压环的设计  88-89
  5.4 仿真与实验验证  89-93
  5.5 本章小结  93-94
第六章 DC/AC 逆变器串并联组合系统的通用控制策略  94-103
  6.1 引言  94
  6.2 输入均压/均流与输出均压/均流的关系  94-99
    6.2.1 IPOP 逆变器组合系统  96
    6.2.2 IPOS 逆变器组合系统  96-97
    6.2.3 ISOP 逆变器组合系统  97-98
    6.2.4 ISOS 逆变器组合系统  98-99
  6.3 系统稳定性分析  99-100
    6.3.1 组合式输入均压/均流控制策略  99-100
    6.3.2 输出均压/均流控制策略  100
  6.4 DC/AC 逆变器串并联组合系统的通用均压/均流控制策略  100-102
  6.5 本章小结  102-103
第七章 ISOP DC/AC 逆变器组合系统的控制策略及参数设计  103-125
  7.1 引言  103
  7.2 输出电流反馈控制策略  103-106
  7.3 系统控制闭环设计  106-115
    7.3.1 输入均压环和系统输出电压环的解耦分析  106-108
    7.3.2 前级直流变换器环路设计  108-111
    7.3.3 输入均压环设计  111-115
    7.3.4 系统输出电压环设计  115
  7.4 仿真验证  115-117
  7.5 实验验证  117-123
    7.5.1 稳态实验  117-119
    7.5.2 动态实验  119-122
    7.5.3 两种控制策略比较  122-123
  7.6 本章小结  123-125
第八章工作总结与展望  125-127
  8.1 本文的主要工作  125-126
  8.2 下一步要做的工作  126-127
参考文献  127-135
致谢  135-136
在学期间的研究成果及发表的学术论文  136-138
附录一 Boost 与 Buck-Boost 型系统控制策略解耦推导过程  138-139

多变换器模块串并联组合系统研究

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