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DC-DC储能变换器设计及研究

作　者: 马吉祺
导　师: 夏泽中
学　校: 武汉理工大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: DC-DC储能变换器 在线式不间断电源 峰值电流模式 Pspice仿真
分类号: TM46
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


DC-DC储能变换技术在光伏发电,风能发电,不间断电源(UPS),新能源汽车和可再生能源发电等领域都得到了广泛的应用。其主要功能是控制储能单元与电源系统之间直流电能的双向流动。本课题设计了一个DC-DC储能变换器应用于在线式不间断电源。当外电正常时,在线式UPS输入交流电压,通过充电电路不断对电池充电,同时电路将交流电压转换成直流电压,由后级的逆变器将直流电压逆变成交流电供给负载。当外电中断时,蓄电池通过升压电路提供逆变器所需的高电压,再由后者逆变生成交流电供给负载,保证负载正常工作。本文首先论述了DC-DC储能变换器的研究背景及意义,并分析了相关的电路拓扑和控制技术。根据装置设计要求,讨论了几种可行的电路方案,通过各方面电路参数和结构的比较,确定了采用两个单向DC-DC变换拓扑反并联的方式实现能量双向变换的方案。同时分析了该方案的优缺点及实现过程中可能遇到的问题。其次,对DC-DC储能变换器进行了详细的硬件和软件设计。该变换器主要包括蓄电池升压放电电路、蓄电池充电电路及控制电路。升压电路采用推挽式拓扑结构,并采用峰值电流模式进行闭环控制,有效地克服了该拓扑结构存在的偏磁问题。蓄电池充电电路采用半桥式拓扑结构,由于电路中高压母线电压值较高,采用这种拓扑可以有效的降低开关管的关断电压。蓄电池升压电路的输入电容作为蓄电池充电电路的输出电容,而前者的输出电容作为后者的输入电容,这样既可以节省器件,也保证了电路切换过程的连续性。硬件设计内容包括高频变压器设计、输出电感设计、驱动电路设计及信号检测调理电路设计等。数字控制芯片采用的是dsPIC33FJ16GS504。软件设计内容主要包括系统初始化模块、中断采集控制模块、PID控制器及相关子程序。最后,对DC-DC储能变换器中的主要功率电路进行了Pspice仿真分析,也对实验结果进行了分析。实验表明,本变换器中的各电路模块运行正常,散热效果好,电磁辐射小,抗干扰能力强。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 课题研究背景及意义  9-11
  1.2 DC-DC储能变换器研究现状  11-16
    1.2.1 DC-DC储能变换器拓扑分析  11-14
    1.2.2 DC-DC储能变换器控制技术  14-16
  1.3 课题主要任务  16-18
第2章 DC-DC储能变换器电路方案  18-29
  2.1 DC-DC储能变换器的技术要求  18
  2.2 主电路方案选择  18-22
  2.3 主电路工作原理  22-28
    2.3.1 蓄电池推挽升压电路工作原理  22-25
    2.3.2 蓄电池半桥充电电路工作原理  25-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 DC-DC储能变换器硬件设计  29-49
  3.1 DC-DC储能变换器电路总体结构  29-30
  3.2 蓄电池推挽升压电路硬件设计  30-40
    3.2.1 高频变压器设计  30-34
    3.2.2 输出电感设计  34-35
    3.2.3 开关管及整流二极管的选取  35-36
    3.2.4 驱动电路设计  36-37
    3.2.5 信号调理电路设计  37-40
  3.3 蓄电池半桥充电电路硬件设计  40-46
    3.3.1 高频变压器设计  41-42
    3.3.2 输出电感设计  42-43
    3.3.3 开关管、整流二极管及隔直电容的选取  43-44
    3.3.4 驱动电路设计  44-45
    3.3.5 信号调理电路设计  45-46
  3.4 控制器电路设计  46-47
  3.5 辅助电源设计  47-48
  3.6 本章小结  48-49
第4章 DC-DC储能变换器软件设计  49-61
  4.1 控制芯片及开发环境  49-50
  4.2 变换器主程序设计  50-51
  4.3 推挽升压控制软件设计  51-53
  4.4 半桥充电控制软件设计  53-58
    4.4.1 蓄电池充电方案选择  53-56
    4.4.2 充电控制程序设计  56-58
  4.5 数字PID控制器设计  58-60
  4.6 本章小结  60-61
第5章 DC-DC储能变换器仿真及实验结果  61-70
  5.1 储能变换器仿真  61-64
    5.1.1 仿真工具  61-62
    5.1.2 蓄电池升压电路仿真  62-63
    5.1.3 蓄电池充电电路仿真  63-64
  5.2 实验结果  64-69
    5.2.1 蓄电池升压电路实验波形  64-67
    5.2.2 蓄电池充电电路实验波形  67-68
    5.2.3 整机调试实验波形  68-69
  5.3 本章小结  69-70
第6章 总结和展望  70-72
  6.1 全文工作总结  70
  6.2 今后工作展望  70-72
致谢  72-73
参考文献  73-75
作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文  75

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 变压器、变流器及电抗器 > 变流器
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