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VIENNA整流器输入输出阻抗特性与级联电力工程稳定性研究

时间:2019-01-14 21:40来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施工总承包
本文是一篇电力工程论文,电力工程可承担单项合同额不超过企业注册资本金5倍的单机容量10万千瓦及以下的机组整体工程、110千伏及以下送电线路及相同电压等级的变电站整体工程施工总承包。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电力工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 课题研究背景和意义
随着环境的恶化和化石能源的不断枯竭,节约资源,保护环境已成为全人类共同关注的热门话题。为了保护自然环境与有效的面对能源危机,改变传统汽车的动力方式,电动汽车应运而生。与以汽油提供动力的传统汽车相比,电动汽车是以电能提供动力的新能源汽车,节约化石能源的同时能实现“0 排放”。使“无污染”和“低噪声”的环保标准被真正满足【1-2】。电动汽车优势明显,不仅节约能源,零污染,其配备的蓄电池还可以参与电网的削峰填谷,提高了个体用户的经济效益以及整个电网的安全稳定性。近年来,随着动力电池技术的不断提升,电动汽车产业得到迅速的发展,然而落后的充电设施极大的限制了电动汽车的发展。为提倡环保出行,为使电动汽车得以基本普及,在绿色理念带动下,国家发改委,能源局制定了我国“十三五”期间电动汽车整体发展战略规划,明确到十三五末,全国建设不少于 500 万辆电动汽车充电设施【3】。从而达到电动汽车数量与充电设施相持平的状态,从而满足电动汽车数量的快速增长,让电动汽车真正成为大众出行方式的首要之选。目前,常用的电动汽车充电系统结构如图 1-1 所示,电网通过整流器得到稳定的直流电,再通过 DC-DC 直流变换器调节充电方式从而快速给电动汽车动力电池充电。其中作为电动汽车充电系统核心环节的整流部分主要有两种,一种是不控整流器,另一种为三相PWM 整流器,由于不控整流器功率因数低,并且会导致电网电流含有大量的谐波【4-5】。因此常采用基于 IGBT 的三相全桥 PWM 整流器。但由于 IGBT 成本较高,体积较大,故市场现有充电系统多采用基于 MOSFET 的 VIENNA 整流器,研究其对电动汽车充电系统的建设具有重大意义。
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1.2 整流器研究进展
整流器作为电力电子装置中最常用的一类变换器,其拓扑结构一直是国内外许多学者研究和关注的热点。按照整流器开关管数量划分其类别【9】,最具有代表性的当属 VIENNA整流器,其具有三相三开关结构。由于它良好的性能,常被用于电动汽车充电系统前级整流模块中。(1)不控整流电路,具有三相单开关结构。由于其具有相对简单的结构、可易的控制性以及便宜的成本等优点得以广泛应用。但网侧谐波含量高,从而使电路的功率因数较低,因此可通过引入一级由单开关构成的功率因数校正来提高功率因数,电路拓扑结构如图 1-2 所示【10】。恒定占空比控制由于可使相电流精确的跟随相电压,常采用此控制策略。但由于引入较大的低次谐波,使整流器网侧谐波含量增多,功率因数降低。同时开关管需承受全部的输出电压,电压应力大,降低整流器的使用寿命。且在开关管关断时,会有较大的开关损耗产生,从而使整流器效率降低,目前多用于中、小功率的用电设备中【11-12】。术使整流器输出端获得稳定的直流电压并得到较好的网侧性能,且可以实现能量的双向流动,电路拓扑如图 1-3 所示。多用于中、小功率场合,对于大功率用电设备,由于开关管所需承受较大的电压应力,常通过开关管串并联或模块级联多电平的方式实现,但易存在模块之间或开关管之间电压不均、电流不均等问题【13-14】。
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2 VIENNA 整流器小信号建模及控制
 
VIENNA 整流电路因开关器件少、电压应力低、功率密度大、可靠性高等特性,在电动汽车充电机前级整流模块中获得广泛应用。本章主要基于 VIENNA 整流器的工作原理,建立了状态空间平均小信号模型,并设计了 VIENNA 整流器独立稳定工作的控制器参数。
 
2.1 VIENNA 整流器的工作原理
文中采用的三相三电平 VIENNA 整流器电路拓扑如图 2-1。其中 ux(x=a,b,c)为三相交流电网电压,L 为交流侧升压电感,Qx1与 Qx2反向串联构成双向电流开关,直流侧输出电容由 C1与 C2构成,D1~D6为不控整流二极管,uo为直流输出电压。以 A 相为例来分析 VIENNA 整流器的工作过程,单相电路图如图 2-2 所示。当输入电压处于正半周时,Qa2处于关断状态,当 Qa1开通时,电流通过 ua→La→Qa1→Da2→ua构成回路且正向不断增大,此时电感储能,负载由母线电容 C1提供能量;当 Qa1关断时,电流通过 ua→La→D1→C1→ua构成回路且正向不断减小,此时电感放能给母线电容 C1充电同时给负载提供能量。当输入电压处于负半周时,Qa1处于关断状态,当 Qa2开通时,电流通过 ua→Qa2→Da1→La→ua构成回路且反向不断增大,此时电感储能,负载由母线电容 C2提供能量;当 Qa2关断时,电流通过 ua→C2→D2→La→ua构成回路且反向不断减小,此时电感放能给母线电容 C2充电同时给负载提供能量。
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2.2 VIENNA 整流器的小信号建模
为了对 VIENNA 整流器及系统进行稳定性分析,需要对其建立准确的数学模型。由于 VIENNA 整流器是一个非线性系统,因此稳定性分析主要采用对某一稳态工作点得到的小信号模型进行分析。且由于 VIENNA 整流器输入量为交流信号,不能直接利用状态空间平均法建立小信号模型,本文主要通过开关周期平均实现方程的线性化,通过 abc/dq坐标变换,从而将交流系统等效为直流系统,求出直流工作点,在直流工作点上加入扰动,求得小信号模型。结合状态空间平均法建立动态线性小信号模型。为简化分析,首先做如下假设【41-42】:(a) 电路运行在稳定状态,且开关频率远高于电网频率,网侧电流运行于连续模式;(b) 直流侧电容足够大,稳态时直流电压稳定无纹波,中点电位平衡且三相严格对称根据图 2-1 的 VIENNA 整流器拓扑结构.
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3 VIENNA 整流器阻抗特性....23
3.1 VIENNA 整流器的输入阻抗特性...........23
3.2 VIENNA 整流器的输出阻抗特性...........25
3.3 本章小结...........27
4 配电网对 VIENNA 整流器稳定性影响............29
4.1 配电网等效输出阻抗特性.............29
4.2 配电网对 VIENNA 整流器稳定性影响分析.............31
4.3 稳定性改善方案.........33
4.4 仿真验证...........34
4.4.1 稳定性验证......35
4.4.2 改善方案验证............38
4.5 本章小结...........39
5 VIENNA 整流器交流系统稳定性验证....41
5.1 系统参数设计.............41
5.2 测试结果验证与分析...........43
5.3 本章小结...........45
 
5 VIENNA 整流器交流系统稳定性验证
 
本章主要基于RT-LAB实时测试平台搭建一台7kW的三相VIENNA整流器测试模型,对输入电感、开关管、输出电容、快恢复二极管等主电路参数进行设计,并对三相 VIENNA整流器单独工作、配电网含有输出阻抗时与 VIENNA 整流器级联稳定性工作与不稳定工作,以及在整流侧输入端加入有源阻抗调节器后系统稳定性改善的测试验证分析,表明了前文理论分析的正确性。
 
5.1 系统参数设计
 
5.1.1 输入滤波电感设计
三相输入滤波电感的作用主要为升压和滤除开关纹波。系统可传输的功率最大值与跟随电流速度限制了电感的最大取值,而过零点处电感电流上的开关纹波限制了电感的最小取值,一般取电感电流上开关纹波最大值不大于 30%的电感电流有效值【61】。VIENNA 整流器输出滤波电容主要作用为储能和滤波,即保证交流母线与负载间的能量可有效传递和维持直流侧输出电压的稳定。若需保证系统能准确快速跟踪给定输出电压和使电流内环能灵敏响应,则电容取值应较小。若需维持直流侧输出电压的稳定,使其在负载突变时不至于引起较大的波动,则电容取值应较大。系统设计开关频率为 50kHz,考虑到响应速度和功率密度,开关管选用 MOSFET 管并使两个共源极反向串联。通过开关管导通时流过开关管的电感电流值确定 MOSFET 管的耐受电流,通过开关管关断时所需承受的反向电压值确定 MOSFET 管的耐受电压。VIENNA 整流器的开关管只需承受一半的直流侧输出电压,即 360V。
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总结
 
本文主要针对VIENNA 整流器的阻抗特性及配电网对VIENNA整流器稳定性问题展开了深入研究,通过分析 VIENNA 整流器的主电路拓扑结构及原理,建立了 VIENNA 整流器状态平均小信号模型,并设计了合理的双闭环控制器参数,使 VIENNA 整流器实现高功率因数输入并稳定输出直流电压 720V。根据所搭建的 VIENNA 整流器控制环路,求得 VIENNA 整流器闭环输入阻抗与输出阻抗方程。进一步针对当 VIENNA 整流器与配电网级联的稳定性问题展开分析,主要研究了当配电网含有输出阻抗时,其等效参数对VIENNA 整流器稳定性的影响,最后,针对级联不稳定现象,提出并采用了一种新型的阻抗匹配方案有效改善了级联系统的稳定性问题。且提出了合理的改善方案。为验证理论分析的正确性,分别构建了完整的仿真与测试模型并给出了完整的验证分析。所完成的主要工作如下:(1)详细分析了VIENNA 整流器的工作原理,构建dq坐标系下三相三电平VIENNA整流器开环小信号模型。基于此,推导了 VIENNA 整流器开环输入输出阻抗方程并设计了电流内环与电压外环控制参数。并基于 PSIM 仿真软件搭建相应的仿真模型,验证小信号建模的正确性和控制器参数设计的合理性。(2)基于所设计的双闭环控制方案,数学推导得出了面向级联稳定性分析的三相VIENNA 整流器的闭环阻抗特性表达方程,分析了在输入电压和输出电流变化下的闭环输入输出阻抗特性。根据阻抗比判据分析了当电网含有输出阻抗时,其等效参数变化对VIENNA 整流器稳定性的影响。并提出了稳定性改善方案,搭建了相对应的仿真模型,进一步验证分析的正确性和改善方案的合理性。(3)最后为验证文中理论分析的有效性,给出了 VIENNA 整流器主电路参数设计方案,并构建了完整的测试模型,进一步完成了三相 VIENNA 整流器单独工作、配电网含有输出阻抗时与 VIENNA 整流器级联稳定性工作与不稳定工作,以及在整流侧输入端加入有源阻抗调节器后系统稳定性改善的实时仿真验证。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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