论文部分内容阅读
直流配电网以其能更高效可靠地接纳风、光等新能源分布式发电系统且更适应于用户侧负荷特性变化趋势等优点而备受关注,更是未来智能配用电系统的重要组成部分。作为直流配电网中电能转换的接口,隔离DC-DC变换器的稳定高效运行对于直流微网的发展具有重要意义,特别是可以实现能量双向流动的双向隔离DC-DC变换器(Isolated Bidirectional DC-DC,IBDC),更有利于推进节能减排与实现能源可持续发展。相较于两电平IBDC变换器,三电平IBDC变换器具有开关器件电压应力小和无源器件小等优点,可以在降低变换器成本的同时提升性能。本文针对电压等级为600V-800V之间的常见直流接口应用场合,对采用SiC MOSFET器件的两电平结构双有源桥变换器(Dual Active Bridge,DAB)和采用Si MOSFET器件的三电平结构双有源半桥变换器(Three-level Dual Active Half Bridge,TL-DAHB)进行了损耗比对分析,并在此基础上进一步设计了TL-DAHB变换器的效率优化控制方法,完成了TL-DAHB变换器的样机实验平台设计与所提优化控制方法的实验验证。首先本文分别分析了在单移相控制策略(Single Phase Shift,SPS)和扩展移相控制策略(Extended Phase Shift,EPS)下TL-DAHB变换器的工作原理,详细分析了一个开关周期内电路的所有工作模态,并对两种控制策略下变换器的功率传输特性、软开关特性以及峰值电流、有效值电流、回流功率、无功功率等相关特性进行了详细的对比,指出了EPS控制较SPS控制而言更灵活且具备优化变换器性能的优点。其次本文对母线电压处于600V-800V之间的直流接口应用场合下传输相同功率的DAB变换器与并联TL-DAHB变换器分别建立了其各自的损耗模型。在损耗模型内对各自变换器中有源器件的导通损耗与开关损耗分别进行了量化分析与计算,通过对比损耗发现基于Si MOSFET器件的并联TL-DAHB变换器的损耗较基于SiC MOSFET器件的DAB变换器的损耗更小,能够实现更高效率的能量转换。接着基于两种控制策略特性对比结果和两种变换器拓扑的损耗对比结果,本文对采用EPS控制的TL-DAHB变换器进行了进一步的效率优化控制方法设计。损耗分析结果表明在TL-DAHB变换器中开关管内部反并联二极管的导通损耗是变换器损耗的主要组成部分,故为了提高变换器的整体效率,本文间接选取变换器峰值电流作为效率的优化目标,采用拉格朗日乘子法,在不同移相比关系下求解使得变换器在EPS控制下峰值电流最小的全局优化移相比组合。在相同传输条件下,将本文设计的EPS峰值电流全局优化控制下的变换器峰值电流与SPS控制和传统EPS优化控制下的对应特性进行了对比分析,仿真验证了所提优化控制方法的有效性。为了实现TL-DAHB变换器在EPS峰值电流全局优化控制方法下的闭环控制,本文对优化控制器进行了相应的设计,并应用状态空间平均法对EPS控制下的TLDAHB变换器建立了小信号模型。根据得到的变换器数学模型,对移相比到输出电压以及输入电压到输出电压的传递函数进行了仿真验证,在此基础上进一步设计了闭环控制器参数,并仿真验证了EPS峰值电流全局优化控制方法的闭环控制系统的稳定性。最后,本文介绍了搭建的TL-DAHB变换器样机实验平台,阐述了硬件电路设计中有源器件选取、电感和变压器设计、驱动电路与采样调理电路设计。基于该样机实验平台,对TL-DAHB变换器在SPS控制与EPS控制下的工作模式进行了验证,并从峰值电流与效率两方面对SPS控制、传统EPS优化控制与设计的EPS峰值电流全局优化控制三种控制策略进行了对比测试,实验结果验证了理论分析的正确性和设计的优化控制方法的有效性。