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轴带发电系统中变换器设计及其控制方法
| 论文题名： | 轴带发电系统中变换器设计及其控制方法 |
| 关键词： | 船舶轴带发电系统;三相PWM逆变器;解耦控制;虚拟同步发电机控制 |
| 摘要： | 为响应“双碳”政策，发展绿色航运，本文从轴带发电系统着手研究船舶节能。船舶主机存在推动航行之外的富裕功率，通过电力电子能量变换技术将其转换为恒频恒压的三相交流电源，供给船舶照明等日常生活所用。采用三相整流.逆变的电路架构，具有可靠性高、经济性好和样机体积小的优点。本文从电路原理出发，首先分析了电路运行机理，建立了数学模型，控制策略设计，给出了控制参数整定方法与硬件电路设计方法。搭建仿真模型加以验证，最后搭建了一台12kW的三相逆变器实验样机。 本文以船舶轴带发电系统中的三相逆变器为主要研究对象，深入分析了两电平三相PWM逆变器的工作原理，建立了三相静止abe坐标系下的数学模型，再通过Clarke和Park变换得到两相静止α-p坐标系和同步旋转d-q坐标系下的数学模型，使三相交流电量转换为两相直流电量，在此基础上实现控制策略的研究。针对d-q坐标系下电流分量耦合的问题，设计了电压电流双闭环解耦控制策略。引入开关函数，通过空间矢量图分析了空间矢量调制的原理。结合DSPTMS320F28035，本文给出了一种七段式空间矢量调制的实现方法，包括扇区判别、矢量作用的时序、时长，有效降低开关器件的开关频率，减少开关器件的损耗，从而提高系统的效率。根据逆变器并网状态下的要求，本文研究了基于下垂控制的虚拟同步发电机(VirtualSynchronousGenerator,VSG)控制策略，使得三相逆变器能够支撑电网电压。此外，基于下垂特性的物理意义，建立了动态向量下的下垂控制模型，分析了虚拟同步发电机控制的原理，结合系统控制框图，给出了控制参数的整定方法。 本文对船舶轴带发电系统中的逆变器进行了主电路的设计，根据系统要求选取了功率管、LC滤波器和直流侧母线电容等重要元器件，给出了变压器磁件等器件参数计算方法。基于NCPl351B芯片原理，设计了一台PFM变频反激变换器辅助电源。首先将开关器件的平均模型与反激变换电路模型相结合，得到了反激变换器功率电路的等效小信号模型;然后根据NCPl351B芯片的工作原理，推导了峰值电流环的等效占空比扰动到输出电流的传递函数，给出并推导出控制到等效占空比的PFM调制周期增益KPFM;由输出电流到输出电压的传递函数，推导出变频反激变换器控制到输出电压的传递函数。在此基础上，选择了改进型PI调节器对辅助电源进行校正。 最后，论文搭建了PSIM、Matlab/Simulink的仿真模型，结合仿真结果的分析，搭建了12kW三相轴带发电逆变器的实验样机，自制了系统中具有11路输出的反激变换电路辅助电源。仿真和实验结果均验证了本文理论分析的正确性和设计的有效性。 |
| 作者： | 孟飞 |
| 专业： | 控制工程 |
| 导师： | 方宇;丁东升 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 扬州大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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