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近年来,电动修井机以其节能、减排、高效、维护方便、成本低等优点受到了广泛的关注。由于实际油田环境中井场变压器容量一般较小,因此需要引入储能装置如超级电容器来匹配电动修井机以保证正常作业。为了使超级电容器,井场变压器与负载之间有效的结合起来,选用带有电气隔离的对称半桥双向DC/DC变换器作为接口电路。因此,本文主要研究带有电气隔离的对称半桥双向DC/DC变换器。
文中首先介绍超级电容器和油田电动修井机系统。通过对超级电容器工作原理的分析,建立其等效电路模型,并分析其充放电特性。分析油田电动修井机的能量管理系统和工作模式,引出本文研究对象双向DC/DC变换器。
文中其次研究双向DC/DC变换器工作原理与输出特性。通过对双向DC/DC变换器拓扑结构的介绍,分析其工作在Boost和Buck两种工况下的原理和换流过程并给出等效分析模型,指出其有四种不同工作模态并推导有功功率和移相角之间的关系。
文中然后研究双向DC/DC变换器的数学模型与控制系统设计。通过引入高低压侧开关器件的开关函数变量建立变换器的简化、降阶型状态空间平均数学模型和线性小信号模型,并且以该小信号模型为基础,利用波特图进行电流内环和电压外环的设计与优化,构建变换器的双闭环控制系统结构。Matlab/simulink仿真结果表明所设计的变换器控制系统具有良好的动态性能和稳态精度。
文中接着对双向DC/DC变换器若干问题进行分析和参数设计进行指导。分析了变换器开机刚启动时,电感不能实现实现磁复位,其电流不断增大的原理。针对开机启动电流大,提出改进型斜坡输入方式实现软启动的方案;分析了对称半桥均压的原理;分析了变换器有功功率与无功功率的关系;针对变换器要求对主电路拓扑进行了详细的参数设计。
文中最后利用SABER软件对双向DC/DC变换器进行了仿真验证。仿真结果表明变换器能够较好的工作在Boost稳压模式和Buck限流模式下;软启动电路有效的抑制了变换器的开机启动电流,也表明所提出的移相控制方案是完全可行的。