小型波浪能发电装置的电能变换系统设计研究

【摘要】：世界能源需求的不断攀升和非再生自然资源的日益枯竭一直是全世界各国开发新能源的动力。波浪能与传统能源相比具有可再生、绿色环保、储能丰富等优点，近年来日益受到世界许多国家的关注。由于波浪的随机性（随海况不同，波高和频率等都是时变的），永磁直线发电机所发出的多相交流电的幅值和频率都是不稳定和时变的，因此难以直接供给负载使用，必须要先对其进行变换和处理。即把发电机发出的不稳定的电能经后级电能变换控制系统转换成稳定的电能，然后提供给用户或设备使用。 论文针对波浪发电系统的特点提出了一种后级电能装置处理系统。综合比较了各种变换拓扑结构的特点，选取采用两级DC/DC变换的系统结构。前级DC/DC变换装置采用Boost非隔离型变换装置，后级采用隔离型移相全桥装置。Boost变换器采用单周控制方式，解决了传统控制方式调节滞后的缺点，能够快速跟踪输入变化并在本周期内做出调节，不会把误差带入下一周期。后级移相全桥采用与倍流整流技术相结合的方式，即将传统的移相全桥软开关变换装置的副边采用倍流整流方式。该方式解决了全波整流移相全桥变换器存在的占空比丢失、负载范围小和副边二极管尖峰电压过大等问题，在较大程度上提高了电能变换的效率。 本文前三章分别介绍了波浪发电的研究背景、单周控制Boost变换器和移相全桥零电压PWM变换器工作原理及特性。为更好的设计闭环控制系统，在分析了倍流整流移相全桥电路工作原理的基础上，建立了其小信号模型，同时搭建了仿真模型，验证了倍流整流PS-FB-PWM变换器的优点。 第四章则主要介绍了系统的软、硬件设计。其中硬件部分主要是各参数的计算、功率器件的选型、变压器和电感的设计和控制电路的设计。软件部分则是系统的以及各子模块的具体流程图。 最后为了验证本文提出的系统设计方案，运用Matlab软件搭建了仿真模型，并在实验室完成了一台48V/10A的样机。通过仿真和实际实验验证了本文提出的后级电能处理装置的可行性和可靠性。 【关键词】：单周控制 Boost变换器 倍流整流 移相全桥 零电压软开关
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM46;P743.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 课题背景10-11
• 1.2 波浪能发电技术发展应用状况11-13
• 1.2.1 国外波浪发电现状11-12
• 1.2.2 国内波浪发电现状12-13
• 1.3 装置结构分析13-15
• 1.3.1 各隔离型拓扑电路特点分析13-14
• 1.3.2 软开关技术14-15
• 1.4 本课题的研究内容15-16
• 第2章 基于单周期控制的 Boost 变换器16-22
• 2.1 Boost 变换器原理16-20
• 2.1.1 Boost 主电路拓扑结构16-17
• 2.1.2 电流连续状态下的外特性分析17-19
• 2.1.3 电流断续状态下的外特性分析19-20
• 2.2 单周期控制技术20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 倍流整流移相全桥零电压 PWM 变换器22-34
• 3.1 倍流整流 PS-FB-ZVS-PWM 变换器22-27
• 3.2 倍流整流 PS-FB-ZVS-PWM 变换器的特点27
• 3.3 倍流整流 PS-FB-ZVS-PWM 变换器的小信号模型27-31
• 3.3.1 Buck 变换器小信号模型的建立28-30
• 3.3.2 倍流整流 PS-FB-ZVS-PWM 变换器小信号模型的建立30-31
• 3.4 两种移相全桥变换器仿真对比31-33
• 3.5 本章小结33-34
• 第4章 系统软硬件设计34-56
• 4.1 系统结构34-35
• 4.2 系统主电路设计35-45
• 4.2.1 系统设计要求35
• 4.2.2 Boost 变换器电感 L0设计35-40
• 4.2.3 Boost 变换器滤波电容设计40
• 4.2.4 Boost 变换器功率开关管和功率二极管选取40-42
• 4.2.5 移相全桥变压器设计42-44
• 4.2.6 移相全桥输出滤波参数设计44-45
• 4.3 系统控制电路设计45-53
• 4.3.1 检测电路45-47
• 4.3.2 保护电路47-48
• 4.3.3 驱动电路48-49
• 4.3.4 补偿网络设计49-53
• 4.4 系统软件设计与实现53-55
• 4.5 本章小结55-56
• 第5章 实验结果及分析56-72
• 5.1 永磁直线发电机仿真及分析56-57
• 5.2 Boost 变换电路仿真及实验57-61
• 5.2.1 Boost 变换电路仿真及分析57-60
• 5.2.2 Boost 变换器实验及分析60-61
• 5.3 倍流整流移相全桥零电压 PWM 变换器仿真及试验61-68
• 5.3.1 倍流整流移相全桥零电压 PWM 变换器仿真及分析61-65
• 5.3.2 倍流整流移相全桥零电压 PWM 变换器试验及分析65-68
• 5.4 小型波浪能发电装置的电能变换系统仿真及分析68-70
• 5.4.1 系统仿真及分析68-69
• 5.4.2 系统试验及分析69-70
• 5.5 本章小结70-72
• 结论72-73
• 参考文献73-76
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果76-77
• 致谢77-78
• 附录 A78

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