三相双有源桥控制策略优化研究

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清洁能源发电技术能够有效缓解当前能源制造环境污染以及能源紧张的问题,其中,电力电子变换器作为连接储能装置与清洁能源发电系统的关键设备,其效率决定了能源的利用效率。常用于清洁能源发电技术的变换器中,三相双有源桥变换器由于其诸多优点被广泛应用,但传统单移相控制在电压转换比不为1且轻载状态时会出现损耗增加效率降低的问题,限制了三相双有源桥变换器的应用,因此有必要对三相双有源桥变换器控制策略进行优化研究。本文以三相双有源桥变换器为研究对象,对其建立了广义状态空间平均(Generalized State Space Averaging,GSSA)二阶模型,提出了非对称脉冲宽度调制(Asymmetric Pulse Width Modulation,APWM)级联单移相(Single Phase Shift,SPS)控制的控制策略,以扩大软开关范围进而提高变换器的效率,并通过仿真对所提出的优化控制策略进行了验证。首先,对SPS控制下的三相双有源桥变换器的工作原理和工作特性进行了分析,在理论上证实了三相双有源桥变换器在SPS控制下,当电压变换比不为1时,其零电压导通(Zero Voltage Switching,ZVS)区域会变窄,从而使变换器的损耗增大,效率降低。因此,要提高变换器效率,就需要扩大软开关区域且对变换器的功率损耗进行分析,明确损耗和变换器中电压和电流的关系,得到损耗计算公式,为后续控制策略的优化奠定理论基础。其次,三相双有源桥变换器电流及功率的波形复杂,如果用理论推导进行分析会非常困难,计算量非常大,而且耗时长,容易出错。因此,在三相双有源桥变换器的工作原理和工作特性的基础上,结合GSSA建模的方法,建立了三相双有源桥的二阶GSSA模型,并且根据主电路的设计参数确定了电子元器件的选型,在Simulink建立了主电路的仿真模型,并且用仿真模型对二阶GSSA模型精确度进行了验证。再次,在对双重移相(Dual phase control,DPS)控制、APWM控制以及APWM+SPS控制原理和特性分析的基础上,提出了APWM级联SPS的控制策略。通过对DPS控制的分析,得出其拓展的软开关区域有限,并且会使得电流峰值增加,开关管的电流应力加大,因此对DPS控制不做进一步研究,然后通过分析APWM+SPS控制策略,绘制了三相双有源桥变换器在APWM+SPS控制下的零电压开关区域图,该图表明APWM+SPS控制策略能够实现在全负载范围内的零电压开通,但APWM+SPS控制涉及两个控制变量的同时变化,使得控制复杂且不容易达到最优的控制状态,实现起来比较困难,因此提出了APWM级联SPS控制策略,降低了控制变量的个数,在同一时刻只调整一个控制变量,使得控制策略的实现更加简便易行。然后分析了APWM级联SPS控制策略下的损耗,并和SPS控制策略的损耗进行了理论上的对比,结果表明优化控制策略可以在轻载的情况下有效降低变换器的损耗、电流峰值以及电流有效值,证明了优化控制策略的可行性。最后,分别针对SPS控制、DPS控制和APWM级联SPS控制策略,在Matlab/Simulink中搭建了控制电路和驱动电路的仿真模型,并将其与三相双有源桥变换器的主电路仿真模型进行连接,对变换器在额定功率下的功率正向流动过程和反向流动过程中的电压波形和脉冲信号波形,以及在不同输出功率下变换器中变压器两端的电流峰值和有效值进行仿真,仿真结果表明三相双有源桥变换器使用APWM级联SPS控制策略时在轻载条件下可以显著降低电流峰值和损耗。
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