大功率交流模拟电源的研究

发布时间：2017-03-19 10:03

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【摘要】：近年来,以光伏、风能发电为代表的新能源发电技术发展迅速,由新能源发电装置发出的电能通常需要通过变流器并入电网。随着新能源发电容量在电网中占比不断增加,并网变流器对电网的影响也在不断增大。电网会发生诸如电压跌落、频率突变等故障,这些故障的发生对并网变流器的正常工作状态会产生很大的影响。因此,目前对于并网变流器性能的研究成为了学术界的热点。但是由于电网故障的不可控性,在对并网变流器进行测试时,很难直接通过电网复现出故障工况,因此必须有专门的设备用于模拟电网出现的各种故障工况。由于需要模拟的是三相交流量,因此把这类设备称为交流模拟电源。本文详细介绍了一种基于电力电子变换形式的交流模拟电源,对其工作原理进行了详细分析,同时对滤波参数进行了设计,并围绕变流器控制技术展开研究,分别对并网侧和输出侧的控制策略进行了详细的分析探讨。并通过仿真和实验验证了理论研究成果的正确性以及交流模拟电源的实际可行性。首先,根据对变流器研究的需要提出了交流模拟电源应该具有的功能,然后分别推导了并网侧和输出侧变流器在不同坐标系下的数学模型,并对电网电压定向矢量控制的工作原理进行了分析；最后分别对空间矢量PWM调制方式以及模拟三相不平衡故障的工作原理和控制算法进行了详细的研究。其次,对交流模拟电源的主电路硬件参数的设计方法进行了研究。给出了并网侧LCL滤波器和逆变侧LC滤波器的设计方法,并通过仿真验证了参数设计的合理性；从抗扰性能和跟随性能两个角度对中间直流电容值进行了设计。同时,本文重点针对交流模拟电源的控制策略展开研究,介绍了并网侧基于PI调节器的双闭环控制策略,并针对中间直流电压波动的问题,提出了加入负载电流前馈控制的解决办法；研究了输出侧基于PI调节器的单电压闭环控制与基于PR调节器的双闭环控制的原理,并针对输出电压波形质量的改善加入了虚拟阻抗控制策略,最后通过仿真分析验证了上述控制策略的有效性。作为对理论和仿真分析的验证,本文搭建了250kW交流模拟电源实验平台。对交流模拟电源并网侧及输出侧的动态性能和稳态性能进行了测试,同时对交流模拟电源模拟电网故障的功能进行了实验。证明了交流模拟电源控制策略的有效性,为变流器领域的科学研究创造了条件。
【关键词】：交流模拟电源 变流器 三相不平衡 虚拟阻抗 负载电流前馈 PR调节器
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM46
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-11
• 1 引言11-19
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 交流模拟电源研究现状12-17
• 1.2.1 拓扑结构12-16
• 1.2.2 控制策略16-17
• 1.3 本文主要内容17-19
• 2 交流模拟电源工作原理19-41
• 2.1 交流模拟电源的主要功能19-20
• 2.2 三相电压型PWM变换器的数学模型20-26
• 2.2.1 PWM变换器基本工作原理20-22
• 2.2.2 三相PWM整流器的数学模型22-25
• 2.2.3 三相PWM逆变器的数学模型25-26
• 2.3 电压矢量定向控制(VOC)基本原理26-27
• 2.4 空间矢量脉宽调制(SVPWM)27-33
• 2.4.1 空间矢量脉宽调制(SVPWM)基本原理28-30
• 2.4.2 空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制算法30-33
• 2.5 模拟三相不对称跌落的工作原理及控制算法33-41
• 2.5.1 对称分量法33-34
• 2.5.2 采用陷波器的正负序检测与分离34-35
• 2.5.3 模拟三相不对称跌落的控制算法35-41
• 3 交流模拟电源主电路设计41-51
• 3.1 并网侧LCL滤波器参数设计41-45
• 3.1.1 桥臂侧滤波电感设计42
• 3.1.2 滤波电容设计42-44
• 3.1.3 并网侧电感设计44-45
• 3.2 输出侧LC滤波器参数设计45-48
• 3.2.1 截止频率选取46-47
• 3.2.2 滤波参数L、C设计47-48
• 3.3 中间直流侧电容设计48-51
• 3.3.1 满足VSR直流电压跟随性能指标的电容设计48-49
• 3.3.2 满足VSR直流电压抗扰动性能指标的电容设计49-51
• 4 交流模拟电源控制策略研究及仿真分析51-75
• 4.1 并网侧变流器控制策略研究51-54
• 4.1.1 基于PI调节的双闭环控制策略理论分析51
• 4.1.2 并网侧双闭环控制策略仿真分析51-54
• 4.2 中间直流电压控制研究54-58
• 4.2.1 负载电流前馈控制策略理论分析54-57
• 4.2.2 负载电流前馈控制策略仿真分析57-58
• 4.3 输出侧变流器控制策略研究58-69
• 4.3.1 基于PI调节的电压闭环控制策略理论分析59-61
• 4.3.2 基于PR调节的双闭环控制策略理论分析61-63
• 4.3.3 基于PI调节的电压闭环控制策略仿真分析63-67
• 4.3.4 基于PR调节的双闭环控制策略仿真分析67-69
• 4.4 虚拟阻抗控制策略研究69-75
• 4.4.1 虚拟阻抗设计及理论分析70-72
• 4.4.2 虚拟阻抗控制策略仿真分析72-75
• 5 大功率交流模拟电源实验75-85
• 5.1 并网侧整流器实验76-77
• 5.2 逆变侧变流器实验77-81
• 5.3 大功率带载实验81-85
• 6 结论85-87
• 参考文献87-91
• 附录A91-93
• 作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果93-97
• 学位论文数据集97

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