大容量400Hz中频逆变电源主电路拓扑和控制策略的研究

发布时间：2020-09-10 10:11

　　大容量400Hz中频逆变电源相对于传统旋转机组式中频电源具有很大优势,已逐渐取代传统旋转机组式中频电源,广泛应用于舰船系统、航空电源系统、高性能不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)等重要场合。但由于大容量400Hz中频逆变电源输出电压基波频率高,幅值低,输出电流大,从而导致了开关频率和控制带宽间的矛盾;中频逆变电源的负载一般多为非线性和不平衡负载,为得到高性能的中频逆变电源,传统的逆变电路拓扑已不能直接应用,且需要选择合适的控制策略;在大容量中频逆变电源的数字化系统中,由于开关频率的限制,加上低开关频率下传统数字SPWM(Sinusoidal Pulse-Width Modulation)方法带来的延时对中频逆变系统性能影响较大,需要进一步研究如何减小数字延时。本文从逆变拓扑着手,通过选择合适的逆变拓扑及调制策略,实现逆变器等效开关频率的提高,同时满足不平衡及非线性负载需求,结合当前研究中提出的控制策略,并在此基础上加以改进,力求对中频逆变器存在的关键问题提出更好的解决方案,实现对逆变器输出波形质量控制,得到高动态、静态特性及高稳定性的大容量400Hz中频逆变电源。以多电平逆变器拓扑为基础,分析几种传统多电平拓扑结构的优缺点,并提出了一种改进多电平拓扑结构——两单元五开关级联H桥逆变器。改进拓扑在使用较少开关器件时能够输出较多电平数,提高了逆变器输出电压波形质量,并且提高了逆变器等效开关频率;然后介绍了载波移相和载波移幅两种传统SPWM调制策略的原理,并提出了一种改进载波移幅调制策略,通过仿真和实验分析了三种调制策略下输出电压波形质量及其谐波特性,说明了改进载波移幅调制策略的优势;针对改进多电平拓扑,给出了与之对应的改进载波移相调制策略,最后通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。以单相两单元五开关级联H桥逆变器拓扑为例,建立其等效数学模型,介绍了中频逆变电源系统的双环控制原理,其中控制策略选择比例谐振控制策略,详细分析了比例谐振控制器的原理及其应用于中频逆变系统的不足。通过分析闭环系统的输入输出关系推导出一种改进谐振控制器,改进谐振控制器与传统谐振控制器具有相同的控制作用,且改进谐振控制器具有比传统谐振控制器更高的相角裕度,更加有利于系统的稳定,最后通过在不同类型负载及不同工况下进行仿真实验,说明了改进谐振控制器的有效性。针对数字控制过程引入的延时问题,本文首先介绍了延时对中频逆变系统的影响,之后详细分析了对称规则采样法和不对称规则采样法两种传统数字SPWM方法的原理及引入延时的机理和大小,并介绍了能够有效减小延时的多次采样立即更新法的工作原理及引入的延时大小,说明了该方法适用于大容量中频逆变电源的数字控制。
【学位单位】：华东交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM464
【部分图文】：

系统图,重复控制,系统图,复合控制

第一章绪论加在原控制信号上，以消除以后各周期中将出现的重复性畸变[8]。该控制策略的优点在于对死区、非线性负载引起的输出波形周期性畸变能够有效抑制，并且无需将指令或扰动信号的内模形式植入控制器，便能够达到对指令或扰动信号的无静差跟踪，极大的简化了控制器的形式，重复控制一般采用数字方式实现，重复控制系统框图如图 1.1 所示重复控制能够得到较好的稳态控制效果，但其动态特性一般较差，故一般需结合其他控制策略构成复合控制，改善系统的动态特性，如重复和 PI 控制的复合控制[9]、神经网络和重复控制的复合控制[10]、重复控制与误差拍控制的复合控制[11]等。

拓扑结构图,中点钳位,三电平,二极管

图 2-1 三相三电平二极管中点钳位型逆变器拓扑结构Fig.2-1 Topology of three phase three level diode neutral point clamped inverter42关断时，UAN为 0，从而得到 A 相输出相电压有三种电平，为±Vd/2 和 0，同出相电压也有三种电平，通过相电压相减可得到线电压，且线电压共有五种电分别为±Vd、±Vd/2 和 0，由此可以看出，该类型逆变拓扑通过增加输出电压，消除输出电压中的谐波，提高输出电压波形质量。二极管中点钳位型逆变电路由于将开关器件的中点通过钳位二极管与直流电接，使得每个全控型器件在关断时所承受的电压应力得到降低，具体与电路结图 2-1 中为 Vd/2，因此，二极管中点钳位型逆变电路拓扑较适用于高压大容量但同时二极管中点钳位型逆变电路拓扑也存在很多缺点，如随着电平数的增加全控型器件、钳位二极管、直流电容的数量都会增加，三相中全控型器件和钳为对应单相的 3 倍，直流电容数与单相相同，例如，对应上述三电平电路，单器件数分别为 12、10、6 个，三相对应的各器件数目为 36、30、6，由此看出很大时，所需器件数会变得很庞大；另外直流侧电容的电压均衡控制也会随着

拓扑结构图,电容型,电平,逆变器

第二章中频逆变器的主电路拓扑及其调制策略波含量，提高波形质量的效果，但此类电路具有较为明显的缺陷，如电路中存在较多的钳位电容和直流侧电容，且随着电平数的增加，电容的数量也会增加很多，这无疑增加了电路成本和体积；并且电路中的钳位电容需要进行单独的充电，电容上的电压均衡问题增加控制难度，且大量的电容会导致电路在高频工作条件下，增大系统损耗，故在工程应用中，飞跨电容型多电平逆变拓扑应用具有很大的局限性，故较少使用。

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