模块化高压数字功放控制方法研究及装备研制

论文摘要

海洋通信技术的迅速发展对大功率电声换能系统的运行性能和控制方法提出了更高的技术要求,大功率数字功放作为电声换能系统中的关键装备,在保真度、稳定性、可靠性和运行效率等方面均存在亟待解决的问题。模块化高压数字功放适用于海底高压直流供电的大功率电声换能应用场合,具有高冗余、低谐波输出的优点,且无需降压变压器,是一种极具发展前景的高压大功率数字功放。研究模块化高压数字功放的调制策略和优化控制方法,能够改善功放的输出性能、提高系统的稳定性和运行效率,对于实现高保真、高稳定、高可靠和高效率的高压大功率数字功放具有重要的研究意义和工程价值。本文在国家自然科学基金重点项目“大功率电声高效换能机理与控制方法研究”[51837005]的资助下,得到国家电能变换与控制工程技术研究中心的支持,围绕模块化高压数字功放的输出性能、系统稳定性、电容电压预测、功率损耗和实验装备设计等内容进行研究,主要工作和创新点体现在以下五个方面:（1）提出了 2N+1单载波调制策略和电容电压纹波抑制策略,实现了模块化高压数字功放输出高保真。传统NLM调制相比CPS-PWM调制具有控制器设计复杂度低的优势,无需独立电容电压平衡控制和多路载波发生器,但其谐波含量高,为此,提出了一种2N+1单载波调制策略,在降低控制器复杂度的前提下,实现了输出谐波含量的降低。提出了电容电压纹波抑制策略,降低电容电压纹波对输出谐波特性的影响。仿真和实验验证了所提出的调制策略与电压纹波抑制策略能够保证输出高保真。（2）针对低频振荡、二倍频谐振和能量不平衡等问题,提出一种适用于模块化高压数字功放的环流控制方法,实现了功放内部能量平衡和系统稳定。研究了模块化高压数字功放内部存在低频振荡、二倍频谐振和能量不平衡现象,分析了其对系统稳定性的影响,提出了能量平衡环流控制方法,并对环流控制器参数进行了优化设计,改善了对谐波环流谐振和能量不平衡的抑制效果,提高了系统稳定性。仿真和实验验证了所提出的环流控制方法的可行性和有效性。（3）提出了单传感器电容电压预测校正算法,实现了模块化高压数字功放可靠运行。针对模块化高压数字功放中独立单元传感器测量方法在传感器发生故障情况下影响功放可靠运行的问题,在独立单元传感器测量方法的基础上,提出了单传感器电容电压预测校正算法,为每个桥臂配置一个电压传感器测量桥臂电压,通过预测和校正算法提高了对电容电压值的预测准确度,实现电容电压的平衡控制。仿真和实验验证了所提出的单传感器预测校正算法的可行性和有效性。（4）提出了损耗优化环流注入方法,实现了模块化高压数字功放高效率运行。建立了 2N+1单载波调制策略下模块化高压数字功放的损耗计算模型,根据分析可知,功率损耗与桥臂电流的绝对平均值成正比,在此基础上提出了损耗优化环流注入方法,对注入环流指令的幅值和相角进行了优化设计,并对比了不同环流指令下的功放功率损耗和运行效率。仿真和实验验证了所提出的损耗优化方法的可行性。（5）研制了 3kV/50kW模块化数字功放实验装备,详细阐述了其主电路硬件参数、控制系统结构和软件实现等。对3kV/50kW模块化数字功放实验装备的主电路、控制电路及控制系统软件进行了设计,分别在功率单元直流侧启动充电、稳态运行和暂态运行工况下,对实验装备进行了实验测试。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 海洋水下通信的发展需求
•     1.1.2 电声换能系统的发展趋势
•   1.2 数字功放的发展趋势
•     1.2.1 数字功放的拓扑衍变
•     1.2.2 数字功放主要性能指标
•   1.3 模块化高压数字功放的研究现状
•     1.3.1 模块化高压数字功放的功率单元结构
•     1.3.2 模块化高压数字功放的控制方法
•   1.4 模块化高压数字功放的控制方法
•     1.4.1 输出特性改善方法
•     1.4.2 能量平衡控制方法
•     1.4.3 电容电压预测方法
•     1.4.4 功率损耗优化方法
•   1.5 项目来源和论文主要研究内容
• 第2章 模块化高压数字功放输出谐波特性分析与优化控制方法研究
•   2.1 模块化高压数字功放输出谐波特性及其影响因素分析
•     2.1.1 模块化高压数字功放的建模分析
•     2.1.2 调制策略对功放输出谐波特性的影响分析
•     2.1.3 电容电压纹波对功放输出谐波特性的影响分析
•   2.2 2N+1单载波调制策略
•     2.2.1 2N+1单载波调制策略基本原理
•     2.2.2 2N+1单载波调制输出谐波特性分析
•   2.3 电容电压纹波抑制策略
•     2.3.1 电容电压纹波抑制策略
•     2.3.2 电容电压纹波抑制策略性能分析
•   2.4 仿真和实验
•     2.4.1 仿真验证
•     2.4.2 实验验证
•   2.5 小结
• 第3章 模块化高压数字功放能量平衡控制方法研究
•   3.1 能量平衡稳定性分析
•     3.1.1 低频振荡及谐波谐振推导
•     3.1.2 能量不平衡推导
•   3.2 能量平衡环流控制方法
•     3.2.1 低频振荡及二倍频谐振抑制方法
•     3.2.2 能量不平衡抑制方法
•   3.3 能量平衡控制器性能分析与参数设计
•     3.3.1 有源虚拟阻抗反馈-前馈闭环控制器特性分析
•     3.3.2 有源虚拟阻抗能量分层双反馈闭环控制器特性分析
•     3.3.3 能量不平衡抑制环流控制器特性分析
•   3.4 仿真和实验
•     3.4.1 仿真验证
•     3.4.2 实验验证
•   3.5 小结
• 第4章 模块化高压数字功放单传感器电容电压预测校正算法研究
•   4.1 单传感器电容电压预测校正原理
•     4.1.1 单传感器测量方法
•     4.1.2 电容电压的预测校正
•     4.1.3 电容电压校正值排序
•   4.2 电容电压预测误差收敛性分析
•     4.2.1 单传感器预测校正算法的预测精准度分析
•     4.2.2 单传感器预测校正算法与传统单传感器测量算法对比分析
•   4.3 单传感器预测校正算法的评估指标
•   4.4 仿真和实验验证
•     4.4.1 仿真验证
•     4.4.2 实验验证
•   4.5 小结
• 第5章 模块化高压数字功放损耗分析及其优化方法研究
•   5.1 功率器件损耗计算方法
•     5.1.1 功率器件导通损耗
•     5.1.2 功率器件开关损耗
•   5.2 模块化高压数字功放运行损耗建模方法
•     5.2.1 功放损耗计算基本原理
•     5.2.2 2N+1单载波调制损耗计算模型
•   5.3 运行损耗优化方法
•     5.3.1 损耗优化环流注入方法
•     5.3.2 损耗优化方法性能分析
•   5.4 仿真与实验验证
•     5.4.1 仿真验证
•     5.4.2 实验验证
•   5.5 小结
• 第6章 模块化高压数字功放装备设计与系统实现
•   6.1 主电路设计
•     6.1.1 功率单元设计
•     6.1.2 主电路参数设计
•   6.2 控制系统设计
•     6.2.1 人机交互通讯系统
•     6.2.2 DSP-FPGA双核主控制器系统设计
•     6.2.3 A/D调理电路
•     6.2.4 保护电路
•     6.2.5 光纤通信电路
•     6.2.6 功率单元驱动扩展板
•   6.3 控制系统软件设计
•     6.3.1 DSP外部中断程序
•     6.3.2 FPGA调制程序
•     6.3.3 DSP-FPGA-RS485通讯程序
•   6.4 实验结果分析
•     6.4.1 功放直流侧启动过程实验
•     6.4.2 恒频稳态运行实验
•     6.4.3 恒幅变频暂态运行实验
•   6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间获得的主要成果
• 附录B 攻读学位期间主持和参与的科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 岳雨霏

导师: 罗安

关键词: 高压数字功放,电压纹波抑制,环流控制,单传感器测量,损耗优化

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 海洋学,电信技术

单位: 湖南大学

基金: 国家自然科学基金重点项目“大功率电声高效换能机理与控制方法研究”[51837005],国家自然科学基金项目“模块化多电平DC-DC变换器优化运行与控制方法研究”[51807056],国家电网公司科技项目“电力电子变换器接入直流电网的惯性控制方法与端口稳定性研究”[SGZJ0000KXJS1700510]

分类号: P756.6;TN929.3

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.004042

总页数: 159

文件大小: 19892K

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