【摘 要】
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由于微网系统中直流型分布式电源和负荷的比例不断提升,交直流混合微电网成为目前微网主要存在形式。双向AC/DC变换器作为交直流混合微网中的重要电力设备,承载着系统中能量稳定传输的任务。含高频变压器结构的双向AC/DC变换器在实现电气隔离的同时具备软开关实现简单、运行可靠性高等优点,被广泛应用在交直流混合微电网中。针对该拓扑,传统的两级功率变换控制方式,使开关管电流应力较高,且控制变量非线性度严重,控
【基金项目】
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山西省重点研发计划(国际合作)项目“典型交流负荷直流适配化及直流电网能效评估研究(201803D421010)”; 国家自然科学基金青年科学基金项目“支撑混合微电网三相不平衡电压与直流脉动电压统一补偿的双向AC/DC变换器研究(51807130)”;
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由于微网系统中直流型分布式电源和负荷的比例不断提升,交直流混合微电网成为目前微网主要存在形式。双向AC/DC变换器作为交直流混合微网中的重要电力设备,承载着系统中能量稳定传输的任务。含高频变压器结构的双向AC/DC变换器在实现电气隔离的同时具备软开关实现简单、运行可靠性高等优点,被广泛应用在交直流混合微电网中。针对该拓扑,传统的两级功率变换控制方式,使开关管电流应力较高,且控制变量非线性度严重,控制较复杂。因此,如何保证变换器功率双向传输的同时降低开关管电流应力和控制的复杂度,是目前亟需解决的问题。本文基于含高频变压器的双向AC/DC变换器结构,通过结合移相控制和变频控制方法,提出一种可实现前级双有源桥(dual active bridge,DAB)开关管电流应力最小的虚拟频率控制策略。主要完成以下研究工作:首先,研究混合微电网中隔离型双向AC/DC变换器的并网运行控制方式。针对变换器前级的双有源全桥结构,详细分析了单移相(single phase shift,SPS)、扩展移相(extended phase shift,EPS)和三重移相(triple phase shift,TPS)控制方式,计算了不同控制方式下的功率传输特性,最终选择了自由度更高的TPS作为变换器优化控制方式,并分析了开关管零电压导通条件。针对变换器后级单相和三相全桥结构建立了详细的数学模型,为后续研究单相和三相AC/DC变换器控制策略奠定基础。其次,针对两级控制方式下的隔离型双向AC/DC变换器存在控制环节难以设计、含大体积电解电容的特点,以及传统移相控制导致的开关管电流应力大、控制非线性等缺点,本文设计了一种适用于单级功率控制的最小化电流应力算法,并提出一种虚拟频率控制。该控制策略在满足变换器单级功率传输的同时实现了相移量对输出功率的线性控制,并有效减小了电流应力,由于省去了中间直流母线环节,因此无需大体积电解电容,有利于提高设备整体的功率密度。针对双向AC/DC变换器前级DAB提出一种最小电流应力下的虚拟频率控制策略,单相变换器后级使用同步逆变控制,根据三相变换器后级三相全桥功率传输特性提出一种33%PWM调制策略,将高频开关损耗降低为传统PWM控制的1/3。再次,基于MATLAB/Simulink仿真软件,分别搭建单相、三相AC/DC变换器两种拓扑结构在最小电流应力约束下虚拟频率控制策略的仿真模型。对比双向AC/DC变换器前级双有源全桥采用传统单移相控制、后级三相全桥采用传统PWM控制策略的典型电压电流波形,验证所提控制策略的可行性。最后,基于TMS320F28335芯片搭建双向AC/DC变换器硬件电路,实验样机采用最小电流应力约束下的虚拟频率控制策略,实验结果表明当功率双向传输时,所提控制策略能有效地减小开关管的电流应力,再次验证了所提控制策略的优越性。
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