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《浙江大学》 2009年
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开关电容型交错并联变流拓扑与逆变并联控制技术研究

汪东  
【摘要】: 电力电子技术是21世纪应用最广泛的技术之一。随着现代科技的迅猛发展,各行业对电力电子系统性能与可靠性要求等愈来愈高。高频化、模块化的电源产品由于其体积小、污染小以及易于维护与扩容,已成为目前的发展趋势。并联技术与交错控制技术的产生使原本单台低频大容量的变流器被多台并联输出的高频、小容量、模块化的电源取代成为可能。 电力电子技术也是协助解决人类越发关注的能源短缺与环境污染问题必不可少的技术之一。新型可再生能源由于其绿色、安全、可再生的特点备受人们的关注。为实现和推广低电压输出的新能源的工业应用,科研人员对高增益DC/DC变流器及其后级的DC/AC逆变电路做了大量的研究。为实现变流器的功率扩容,交错并联DC/DC变流器以及逆变电源的并联冗余技术更是研究中的热点。 本文首先在总结、归纳常规flyback与forward变流器的基础上,基于常规flyback变流器的电路结构与交错并联的控制方式,提出了在反激变压器的副边串联占空比控制直流电压源的思想,为扩展电路的电压增益与实现自动均流特性提出了一种新思路,并在此基础上提出了flyback变压器与开关电容相结合的flyback-forward概念,实现了一种隔离型的交错并联flyback-forward Boost变流器。该变流器通过反激变压器与开关电容的有机结合,充分利用了变压器的正激特性,降低了激磁电流,提高了磁芯的利用率,并通过开关电容的隔直特性实现了并联支路的自动均流。通过采用有源箝位软开关技术,实现了漏感能量的无损转移和开关管上关断电压尖峰的有效抑制。由于反激变压器的漏感对输出二极管关断电流的限制能力,有效抑制了输出二极管的反向恢复电流,减小了反向恢复损耗,提高了变流器的效率。为了进一步提高变流器的功率密度,本文还采用了单管箝位技术实现了漏感能量的吸收与无损转移。仿真与实验结果证明,隔离型的交错并联flyback-forward Boost变流器具有较高的工作效率。开关电容型flyback-forward概念的提出为隔离型交错并联DC/DC变流器的拓扑演绎提供了一种可实践的思路。 其次,本文针对非隔离应用场合,在分析了常规交错并联boost变流器与耦合电感型交错并联boost变流器的基础上,通过采用所提出的占空比控制直流电压源的思路,提出了一种开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器。由于引入了耦合电感与开关电容的组合,电路的电压增益得到了进一步的拓展,同时降低了开关管的电压应力。开关电容的存在使耦合电感不仅工作在传统的储能一释放模式,同时利用了其正激变压器的特性,既充分利用了耦合电感的磁芯,又拓展了变换器的功率等级。由于开关电容的隔直特性,交错并联的两个支路实现了自动均流,简化了控制电路的设计,降低了生产成本。为了实现对开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器的闭环控制,本文采用基本建模法对其小信号模型进行了推导,并采用电压电流双环控制策略实现了闭环控制。仿真与实验结果证明了模型的正确性。 随后,为进一步提高电路的可靠性,降低生产与设计成本,本文探讨了开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器的实现方法。首先在分析耦合电感型无源无损高增益boost变流器的基础上,通过采用所提出的占空比控制直流电压源的思路,提出了高增益无源无损交错并联Boost变流器。该变流器通过在电路结构上将箝位二极管交叉连接的方式,在利用箝位电容实现漏感能量的无损吸收的同时实现了两个支路的自动均流。在此基础上,为了进一步拓展电路的电压增益,通过一定的分析与拓扑变换,本文进一步提出了利用开关电容代替箝位电容的概念,并推导出了开关电容型高增益无源无损交错并联Boost变流器。该变流器在保留了高增益无源无损交错并联Boost变流器的所有优点的同时,既拓展了变流器的增益,又降低了开关管的电压应力。在此基础上,为了进一步提高耦合电感的磁芯利用率,本文采用前述的flyback-forward概念,通过添加两个二极管,保证了耦合电感与开关电容的正激电流通路,从而实现了开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器。由于正激工作模式的加入,耦合电感的激磁电流得到了有效降低,变流器的功率密度得到了进一步的提高。 耦合电感/反激变压器与开关电容相结合的flyback-forward概念实现了从新型可再生能源的低输出电压到逆变电源标准母线电压的高增益提升。作为采用此概念实现的新型变流器拓扑的工业应用,论文的第五章对逆变电源多机并联系统的实现和优化进行了探讨和实践。在采用瞬时电流平均值均流模式的基础上,论文对逆变电源多机并联系统进行了建模与仿真实验研究。随后,本文通过对在线的逆变器进行编码的方式提出了自动主从式并联控制策略。该控制策略实现了主从机的自动切换,提高了系统的容错能力。针对隔离型逆变器的变压器直流偏磁问题,本文对比了电压型与电流型反馈补偿的优缺点,并提出了一种电压型补偿的反馈控制电路。该电路无需添加额外的辅助电源与控制环节,实现了变压器原边电压直流分量的采样与闭环补偿,具有一定的工业利用价值。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM46

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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9 陈启梅;MCFC-GT混合动力系统非线性特征及其协调控制研究[D];上海交通大学;2007年
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4 李广军;兆瓦级永磁直驱风电系统变流器并联技术研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 曹彦清;大功率交流调速系统中变频器并联技术研究[D];华中科技大学;2009年
6 金玲;丰镇电厂机组安全运行的研究[D];天津大学;2010年
7 李延邦;具有MPPT功能高效两相交错DC/DC变换器的研究[D];燕山大学;2011年
8 杨伟;模拟同步发电机特性的逆变器并联技术研究[D];南京航空航天大学;2011年
9 陈春柳;独立型太阳能发电系统双向直直变换模块的研究与实现[D];南京航空航天大学;2010年
10 黄力;基于三单相H桥的动态电压调节器的研究[D];华中科技大学;2011年
【同被引文献】
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8 李俊林;熊健;康勇;;基于双环控制和重复控制的逆变器研究[J];电源技术应用;2004年04期
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1 陈武;多变换器模块串并联组合系统研究[D];南京航空航天大学;2009年
2 欧阳名三;独立光伏系统中蓄电池管理的研究[D];合肥工业大学;2004年
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1 牛志强;光伏发电系统中离网逆变器的研究[D];浙江大学;2012年
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6 刘春美;光伏发电系统移相全桥DC/DC变换器及控制方法研究[D];西安理工大学;2010年
【二级参考文献】
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1 李睿;逆变器并联控制及并联系统故障诊断的研究[D];南京航空航天大学;2005年
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1 汪东;开关电容型交错并联变流拓扑与逆变并联控制技术研究[D];浙江大学;2009年
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10 陈威;DC-DC变流器的柔性变拓扑研究[D];浙江大学;2009年
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1 王颖;单相CRM交错并联高功率因数整流器研究[D];燕山大学;2010年
2 蒋先锋;交错并联反激电路在宽范围通讯电源模块中的应用[D];浙江大学;2012年
3 缪晓忠;基于无桥交错并联和谐振技术的车载充电机研究[D];电子科技大学;2012年
4 蔡院玲;基于交错并联的高频UPS研究[D];华中科技大学;2011年
5 王健;基于交错并联BUCK电路的包络跟踪电源研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
6 李娜;交错并联磁集成Buck变换器的本质安全特性研究[D];辽宁工程技术大学;2012年
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8 叶海波;带有功率因数校正的交错并联双管正激变换器的研制[D];广西大学;2011年
9 任其广;风电变流器网侧电压跌落分析及其控制策略的研究[D];山东大学;2010年
10 刘继宗;直驱同步风力发电变流器控制研究[D];西南交通大学;2010年
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