40000字硕士毕业论文基于充放电的DC电力调节器的设计与实践
论文类型：硕士毕业论文
论文字数：40000字
论点：调节器,双向,电力
论文概述：
双向直流电力调节器因为它在直流微电网系统中不可取代的地位逐渐成为研究的热点，本文对一种20 kW放电10 kW充电的双向直流电力调节器进行了研究与设计.
论文正文：
第一章引言
1.1简介
我们知道，可再生新能源在分布式发电中的应用越来越受到各国的关注。它解决了能源短缺的问题，能源利用率高，输出电能质量高。它是大型电网的备用电源，已被广泛研究。同时，由于分布式电源与大电网连接带来的稳定性和成本问题，一些学者提出了微网的概念。微电网分为DC微电网和交流微电网。DC微网集中控制各种分布式电源的能量，通过DC总线向负载供电。与交流微网相比，它减少了能量变化引起的损耗。在DC负荷越来越多的情况下(如电脑设备、手机电池等)。)，对DC微网的研究具有重要意义。
在海上船舶供电系统中，发电机通常用于发电，以维持船舶设备的供电，并支持船舶的正常航行。直流微电网在船舶上的应用。如图1-1所示，利用海上太阳能、风能等清洁能源，通过直流功率调节器或整流器输出到直流母线，为直流负载供电，通过逆变器将直流母线转换为市电，满足船舶生活用电。如果此时能量充足，蓄电池也可以通过双向DC/DC转换器，即双向DC功率调节器充电；如果分布式电源不足，重启发电机，向DC总线输出市电和整流输出，向DC负载供电，或者电池放电通过双向DC功率调节器输出到DC总线。该供电系统大大提高了能源利用效率，减少了对海洋环境的污染。双向DC电力调节器在船舶DC微网供电系统中发挥着重要作用。当新的清洁能源如太阳能、风能和燃料充足时，蓄电池充电并作为备用电源储存。当新能源不足或船舶需要隐藏而不能使用有噪声的燃料发电机时，蓄电池可以作为分布式电源系统的一员向DC总线供电。
1.2研究目的和意义
单向DC功率调节器，即单向DC/DC变换器，其能量传递方向只能是从输入到输出。然而，当输入和输出的定义可以相互替代，从而能量传递方向也相反时，功能要求就不能实现。例如，可以双向传输能量的充电器的主要功能是将电能从电网传输到电池进行充电。如果电源异常中断，可以向电网放电，并向电网供电作为备用电源。用于DC电机控制的功率调节器也需要在两个方向传输能量。在制动状态下，电机的电能通过功率调节器反馈给电源。在电气状态下，电源向电机供电。在上述双向能量传递情况下，如果单向DC功率调节器仍然使用，则必须反向并联使用两个单向功率调节器，以达到双向能量传递的目的。如图1-2所示，电路结构复杂，每个单向DC功率调节器只能允许能量在一个方向流动。这在实际应用中不是必需的，并且一个双向功率调节器可以实现上述功能。
1.3国内外研究现状
目前，我们基本上是在研究十多年前就存在的电源电路系统的拓扑结构。就电源系统性能或电源成本而言，在已存在十多年的电源拓扑中，仍有一些领域需要或多或少地改进。根据当前大功率充放电电源的发展趋势，基于大规模生产和系统维护的需要，任何拓扑结构的单向DC电源都不会改变功率器件和磁性元件的限制。由单向DC调压器发展而来的双向DC调压器供电系统，因其可靠性高、功率范围宽、维护成本低的优点，已成为供电系统的重要发展趋势。
自从美国学者在20世纪80年代初提出将升降压双向DC功率调节器用于卫星太阳能发电系统以来，后来在90年代，香港大学的一位教授成功开发了电动汽车驱动用双向DC功率调节器，一位澳大利亚学者发表了一篇关于PESC的文章，总结了双向DC功率调节器的拓扑结构， 美国弗吉尼亚大学的一名教授着手研究应用于燃料电池的双向DC功率调节器，浙江大学和南京航空公司空航天大学的学者在本世纪初分别研究了双向DC功率调节器。 双向DC电力调节器已经发展了30多年，在航空空航空航天、风力发电、电动汽车驱动电源、备用电源等新能源二次能源开发领域逐渐占据一席之地。
第二章双向DC调压器总体方案设计
2.1双向DC功率调节器的总体结构
设计一种20千瓦放电10千瓦充电双向DC功率调节器，如图2-1功能结构图所示。DC功率调节器的一端是铅酸电池组，另一端是DC总线电压。
2.2双向DC功率调节器指标要求
DC总线端电压为380伏20伏，串并联后电池组输出电压范围为300伏~ 430伏直流。运行期间，功率调节器通过CAN总线接收来自外部的命令，以控制能量流向。双向DC功率调节器要求在输出端具有显示输入和输出过压、欠压、过流、欠流和短路的功能。操作状态通过液晶显示器显示，实时数据也可由上位机监控和记录。放电时，负载端子(DC总线)使用电阻负载箱，充电时，电源端子使用DC稳定]1电源模拟DC总线。双向DC功率调节器的基本规格如表2-1所示。
2.3双向DC功率调节器总体方案
根据双向DC功率调节器的功能和技术规范要求，双向DC功率调节器的结构框图设计如图2-2虚线框结构所示。整个电路由双向DC/DC转换电路、隔离驱动和保护电路、控制器单片机电路、电压和双向电流检测电路、通信接口电路等组成。
第3章硬件...........................................17-40双向DC功率调节器
3.1双向DC/DC转换电路...........................................17-20
3.2调节器充放电模式研究...........................................20-31 [/BR/] 3.3主电路参数设计...........................................31-34[/溴/] 3.4电压、双向电流检测电路...........................................34-35 [/BR/] 3.5隔离驱动和保护电路...........................................35-38
3.6通信接口电路...........................................38-39 [/BR/] 3.7本章概述...........................................39-40
第4章调节器建模与控制器设计调节器建模与分析...........................................40-59
4.1平均法...........................................40-49
4.2功率调节器模型的建立...........................................49-50
4.3调节器数字控制器设计...........................................50-58
4.3.1小信号模型结构图...........................................50-52 [/BR/] 4.3.2放电模式控制器设计...........................................52-55
4.3.3充电模式控制器设计...........................................55-56
4.3.4数字控制器设计...........................................56-58
4.4本章概述...........................................58-59
第5章实验研究和性能测试...........................................59-66
5.1放电模式测试和分析...........................................60-61 [/BR/] 5.2充电模式测试和分析...........................................61-62
5.3测量的DC功率调节器性能...........................................62-66
结论
(1)分析了双向DC功率调节器研究的意义。分别列举了电动汽车、卫星太阳能阵列系统、不间断电源系统等场合中不可替代地位的具体原因。综述了国内外双向DC功率调节器相关技术的研究现状。
(2)讨论了双向DC功率调节器的总体方案。根据双向DC功率调节器在应用环境中的总体结构和设计指标要求，确定了全桥隔离型主电路结构，并介绍了方案中各辅助电路模块的设计思路。
(3)从总体方案出发，介绍了双向DC/DC转换电路的基本拓扑结构和各种结构的应用场合。根据放电模式和充电模式，详细分析了全桥隔离双向DC功率调节器的工作原理，设计了主要电路元件的参数，分别详细阐述了双向DC功率调节器各辅助电路模块的工作原理，提出了一种基于驱动模块的可靠稳定的保护电路。
(4)分别讨论了降压和升压型功率调节器的小信号模型，导出了全桥隔离双向DC功率调节器的小信号模型。为了便于功率调节器控制模型的研究，电池相当于一个由一系列小电阻组成的恒压源。基于小信号模型，建立闭环控制系统，设计比例积分控制器，并将设计的模拟比例积分控制器数字化，以满足被控对象稳定输出的要求。
(5)根据放电和充电过程，描述了本设计的测试和分析过程。根据试验得到的效率曲线，分析了不同输入输出条件下对功率调节器输出效率的影响。