模块组合式高压直流变换技术研究及装置研制

发布时间：2020-04-06 02:13

【摘要】：随着国内经济的不断发展,高压直流电源如今广泛的应用在工业、农业、科学、医学领域。其中不乏以低压直流输入要求高压直流输出的应用场合,并且整个变换器的功率等级、输出精度、功率密度等需求也正在逐步提高,传统线性稳压电源已经难以满足人们日益进步的需求。利用现代电力电子技术和控制技术研制的开关电源成为了取代传统线性电源、满足人们应用要求的解决方案,其中多模块组合式直流变换技术是开关电源的关键技术之一。多模块组串并联组合而成的直流变换器适用于高压大功率变换场合,其中输入并联输出串联(Input-Parallel-Output-Series,IPOS)组合直流变换器尤其适用于高功率输入、高电压输出场合。实现输入均流和输出均压是该组合变换器正常工作的关键,故本文的研究重点主要体现在以下几个方面:(1)以全桥(Full Bridge,FB)直流变换器为子模块,对输入并联输出串联组合直流变换器(IPOS-DC/DC)的结构进行研究。阐述了全桥直流变换器的工作原理并分析了变压器漏感对全桥直流变换器的影响,然后建立了全桥直流变换器的小信号模型。在此基础上,建立IPOS-DC/DC整体小信号模型,并采用扰动分析法对该系统进行频域分析,推导出各个扰动变量之间的传递函数关系,为后续研究工作奠定基础。(2)对比输入均流和输出均压控制策略,揭示输入均流控制策略功率均分效果不佳的原因,对IPOS-DC/DC输出均压控制策略进行理论研究和仿真设计。考虑到IPOS-DC/DC变换器是个非线性、多变量、强耦合型系统,传统线性控制方法难以对其实现精确控制,故本文对输出电压控制器采用了非线性的设计策略,并且证明了IPOS-DC/DC输出电压控制器是Lyapunov稳定的。并针对该控制方法进行了详细的参数设计及稳定性分析。仿真结果表明研究的控制方法能实现变换器稳定输出,在外界扰动情况下保持良好的动态性能。(3)设计了一个10kV/200kW的IPOS组合变换器工程样机,详细讨论了主电路参数选取原则和步骤,然后按照这个设计的参数搭建一个5模块IPOS组合变换器实验样机,并设计和实验验证了该样机的控制系统,实验结果表明了本文研究成果的有效性及正确性。
【图文】：

了众多挑战［７＿８］，目前一般通过变换器结构的创新来模块来代替单个高压变换器，这样可以克服半导体电错率。其中，模块化多电平直流变换器（Ｍｏｄｕｌａｒ邋Ｍｕ串并联组合式直流变换器吸引了世界各地工程师和学流变换器在直流输电领域的工程应用［９］。其中ＭＭＣ模块级联构成，相比于传统两电平电压源型变换器，，并且ＭＭＣ输出电压波形是一系列间隔的阶梯状电望输出波形。因此它具有输出电压质量高，子模块等些优点令ＭＭＣ非常适用于高压大功率ＤＣ／ＤＣ变换变换器模块串并联组合系统也获得了大量的研宄［］Ｇ］。后可以针对性的应用于不同需求的场合，加速了邋ＤＣ／了研发成本，减小了大功率变换器的研发难度。下面然后针对低压大电流输入高压输出的应用场合做出拓电平ＤＣ／ＤＣ变换器逡逑

＾＾＾＾＝＾＝＝＝＝＝＝＾＝＝逡逑三相模块化多电平（ＭＭＣ）电路拓扑如图１．１所示，该结构是德国学者Ａ．邋Ｌｅｓｎｉｃａｒ逡逑ａｎｄ邋Ｒ．邋Ｍａｒｑｕａｒｄｔ于２００３年提出，其中的每个子模块（Ｓｕｂ－ｍｏｄｕｌｅ，邋ＳＭ）可以是半桥结构逡逑也可以是全桥结构，每相的上下桥臂由Ｎ个子模块和桥臂电感串联构成，两个桥臂电感逡逑的连接点构成对应相的交流输出端。与Ｈ桥级联多电平拓扑相比，ＭＭＣ存在公共的直逡逑流母线，同时ＭＭＣ具有高度模块化的结构等优点，，使得ＭＭＣ成为高压大功率直流变换逡逑中的热门拓扑［１Ｗ３］。逡逑ＭＭＣ结构中，由于子模块电容是悬浮的，且数量随着电压等级的增加而增加，所逡逑以级联子模块直流侧电容电压一致成了该拓扑结构工作的前提，然而保障子模块直流侧逡逑电压一致性是该结构的控制技术难点之一。同时，由于ＭＭＣ的三相是并联在直流母线逡逑上
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM46

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本文编号：2615854