双有源DC/DC变换器在固态变压器中的应用研究

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近年来,为了解决能源危机和环境污染两大难题,新能源和可再生能源发电发展迅速;同时,现代电网规模不断扩大,越来越多的分布式发电系统和分布式储能系统需要并网。但是分布式发电系统和储能系统的并网存在较多难题,比如电压等级不同、电能形式不同等。由于传统变压器功能有限,无法解决以上难题,因此本文介绍了一种模块级联型固态变压器作为分布式发电系统和储能系统并网的接口设备。固态变压器将高频电能变换技术和电力电子变换技术相结合,不仅能够实现电压等级变换、电气隔离和能量传递的基本功能,而且能够实现无功功率补偿、电压调整、能量管理和提供交直流接口的多种功能。由于电力电子器件电压电流等级的限制,应用于高压大功率场合时,需要采用模块级联型的固态变压器。模块级联型固态变压器通常采用三级式结构:整流级、隔离级和逆变级。本文重点研究用于隔离级的双有源DC/DC变换器的控制策略,以及整流级与隔离级均压、均功率控制策略。本文首先分析了固态变压器的研究背景和意义,回顾了固态变压器发展过程和研究现状,列举了几种典型的固态变压器拓扑结构;在此基础上重点分析了双有源DC/DC变换器采用传统单移相控制策略和双重移相控制策略时,变换器的工作原理,得到各控制策略下变换器传输功率的数学模型;并且指出了传统单移相控制实现软开关的条件,同时研究了双侧双重移相控制最优电流控制原理,最后通过仿真和实验验证了移相控制理论分析的正确性。本文研究了用于整流级均压控制的两种控制策略:基于单相D-Q矢量变换的共同占空比控制和电压均衡控制:研究了用于隔离级均功率控制的三种控制策略:基于前馈-后馈的电压跟随控制、需要电流采样的均功率控制和无需电流采样的均功率控制;并且给出各种控制策略的控制框图,讨论分析了各种控制策略的优点和缺点,通过仿真验证了所研究的均压、均功率控制策略的可行性。本文设计并且制作了实验样机,详细介绍了整流级和隔离级器件的选择原则;分析了采样电路输入电阻和输出电阻的计算过程,研究了保护电路的设计原理;并在DSP中编写软件程序,实现对硬件电路的控制。最后通过实验验证了整流级采用基于单相D-Q矢量变换的共同占空比与隔离级采用基于前馈-后馈的电压跟随控制、整流级采用电压均衡控制与隔离级采用无电流采样的均功率控制两种控制策略的正确性和可行性。
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