无死区三相acdc双向变流器关键技术研究-research on key technologies of deadband - free three-phase acdc bidirectional converter.docx

NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonKeyTechnologiesofNoDead-timeThree-phaseAC/DCBidirectionalConverterAThesisinAutomationEngineeringbyZhengXinxinAdvisedbyProf.XiaoLanSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyJan.,2015承诺书本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（必威体育官网网址的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学博士学位论文摘要当今社会，地球不可再生能源储量逐年减少，环境污染造成了不可逆转的危害，因此风能、太阳能等新能源的开发和利用成为当务之急。三相AC/DC双向变流器能够实现交直流变换和能量的双向流动，在新能源发电、电动汽车充换电站等场合有广泛的应用。传统的两电平三相桥式AC/DC双向变流器具有功率器件少、功率因数可控等优点，但为避免桥臂直通而加入的死区会导致谐波含量的增加，现有的死区谐波补偿方法则对控制系统提出了更高的要求。目前，提高三相AC/DC双向变流器工作可靠性和效率，减小交流侧电流谐波含量具有重要的意义。本文针对无死区三相AC/DC双向变流器，研究了其关键技术，主要内容如下：(1)针对桥式拓扑存在桥臂直通这一问题，在不增加可控开关器件的前提下，研究无死区AC/DC变流器拓扑的生成规律，提出了一种无死区变流器拓扑的生成方法，并利用该方法生成了多种无死区AC/DC拓扑。通过分析各拓扑的损耗以及全周期和半周期控制方式对变流器波形质量和效率的影响，比较了各拓扑的优缺点。分析结果表明：所生成的双Buck/双Boost拓扑需要采用半周期控制方式以提高效率，但半周期控制存在交流侧电流的过零畸变问题；自环流AC/DC拓扑无电流过零畸变问题，但其效率低于半周期控制下的双Buck/双Boost拓扑；带高频整流桥AC/DC拓扑也能够实现无死区和能量的双向流动，但其效率低于其它拓扑。(2)针对双Buck/双Boost拓扑的半周期控制策略，分析导致交流侧电流过零畸变的原因，提出了一种抑制电流过零畸变的控制方法，通过纹波电流负反馈改变三相电流过零点附近的基准信号，从而减小导致过零畸变的高频纹波电流。针对新型控制方法会增加电流环在LCL谐振频率处增益，从而导致系统不稳定的问题，结合主动和被动阻尼方法，分析了纹波电流负反馈对系统稳定性的影响。仿真和实验结果表明：半周期控制下加入纹波电流负反馈可以在保证系统稳定性的前提下有效地抑制交流侧电流的过零畸变。(3)由于实际电网非理想，需要提高无死区变流器对非理想电网的适应性。针对现有锁相技术中锁相角受非理想电网电压影响、且计算较为复杂的问题，讨论了进行无锁相控制的可行性，提出了一种基于坐标变换的无锁相控制方法，进一步减小变流器的交流侧电流谐波。讨论了实际电网频率和由控制器生成的相位角频率不相同时可能导致的问题，并采用无功功率负反馈控制方法确保参与坐标变换的相位角的频率能够跟踪电网的实际频率。仿真和实验结果表明：所提出的控制方法能够有效降低非理想电网对变流器性能的影响。(4)无死区拓扑避免了死区引入的电流畸变，针对无死区拓扑与有死区拓扑的交流侧滤波器设计的异同之处，研究适用于三相桥式拓扑和无死区拓扑的LCL滤波器设计与优化方法，提出了一种基于变流器电流总谐波失真(THD)模型的参数优化方法。通过对变流器桥臂输出电压进行双重傅里叶变换，计算出功率管高频开关导致的电流谐波，通过对变流器有无死区情况下的谐波I无死区三相AC/DC双向变流器关键技术研究分析，计算死区引入的电流谐波并讨论有死区和无死区对变流器谐波含量的影响。基于谐波分析建立开环THD模型，并在此基础上分析控制环路对THD的影响，从而建立闭环THD模型，采用数值优化方法进行LCL滤波器的参数优化。在此基础上，为减少计算时间，采用试验设计的方法建立THD估算模型，采用简约梯度算法对LCL滤波器参数进行优化，从而得到最终的LCL滤波器参数。仿真和实验结果表明：所设计的LCL滤波器能够满足THD和SHD的要求