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电力电子变压器中双有源桥DC-DC变换器的研究

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导师姓名
王聪
学科专业
电力电子与电力传动
文献出处
中国矿业大学(北京)   2016年
关键词
双有源桥变换器论文  软开关论文  相量分析法论文  统一复功率模型论文  统一动态模型论文
论文摘要

以可再生能源、分布式发电等清洁能源为主要能源发展目标的能源转型和能源革命,得到了学术界与产业界越来越多的关注,由此所形成的具有智能管理电网调配能力的能源互联网,正是在这样一种背景下被提出来的。而在能源互联网实现架构中,能支持分布式发电、储能、可控负荷等设备即插即用,有效地对电能进行管理调度以及故障隔离的电力电子接口技术是能源互联网实现的关键技术之一。具备这种对能量管理调度能力的接口设备,在某些文献中被称为能量路由器(energy router)。而具有“高频电气隔离、功率因数可调、故障隔离、控制自由度高”等优点的电力电子变压器(亦称为EPT,PET或SST)被认为是能量路由器核心设备的理想选择。双有源桥直流变换器(dual-active-bridge,DAB)因其模块化的对称结构、较高的功率密度、零电压开关、双向能量传输能力以及简单移相控制(Phase-shift)等固有优势,从提出之时起便得到了最广泛的关注,成为电力电子变压器功率传输级的常用拓扑。由于单移相(Single-Phase-Shift,SPS)PWM控制没有考虑有功功率由输入侧传向输出侧过程中一部分能量由输出侧传回输入侧,即回流功率(或称环流功率或无功功率)对变换器通态损耗所带来的影响。因而提出在传统单移相PWM控制基础上,通过在左侧桥或右侧桥两个桥臂间引入内移相的扩展移相PWM(Extend-Phase-Shift,EPS)控制方式,在超前桥与滞后桥引入相同内移相的双重移相PWM(Dual-Phase-Shift,DPS)控制方式,可以减小控制周期内输出功率侧的有源桥输出电压与电流相位相反时间间隔,实现降低回流功率的目的。然而在以上研究内容中存在以下两方面的问题。一方面,目前大部分文献都基于瞬时功率积分的方法建立双有源桥直流变换器稳态传输功率与回流功率的数学模型。这种建模方法计算量大、过程复杂,而且随着控制自由度的增多,瞬时功率积分建模法的计算复杂程度进一步提高;该种方法不能建立适用于所有移相控制的统一功率模型。另一方面,通过本文的前期研究发现,在传输相同有功功率时,即便给出使回流功率最小的移相角度组合,也不意味着传输电流的有效值最小,自然也不意味着通态损耗最小。分析以上问题的原因在于,基于瞬时功率积分的建模方法是纯粹的数学符号运算,不具有电工技术中所对应的物理意义。特别是回流功率(或称环流功率或无功功率),首先已有文献对其定义的物理意义不明确;其次对于回流功率的流动与交换描述过于粗糙,并且已有的描述不仅无法揭示此类功率本质的物理意义,也无法在其基础上讨论此类功率与电流有效值(从而通态损耗)的关系。对于移相PWM控制下双有源桥DC-DC变换器的另一个研究重点是,通过软开关技术降低变换器的开关损耗。目前对移相PWM控制的软开关方面研究大都忽略软开关的谐振过程,认为开关动作发生时漏电感电流为线性拐点变化。然而这种近似方法既无法建立开关损耗模型,也无法分析软开关特性以及电路参数设计。此外考虑软开关影响的不同移相PWM控制情况下所制定的控制方法尚未得出统一规律,不具有广泛的实用性。另一方面,通过在电路中串联饱和电感或者并联电感的方法增大等效漏电感感量或者改变电路拓扑的方式,可以使低电流情况下漏电感也有足够大的能量实现软开关,但该方法增加了开关管和谐振单元,反而增加了开关损耗和变换器的通态损耗。现有文献对双有源桥DC-DC变换器的动态建模与控制的研究,大多采用基于上文所述的瞬时功率积分的方法,针对SPS、EPS,以及DPS控制模式,分别推导并建立了以变换器直流电压和漏感电流为状态变量的不同阶次动态模型。但对于不同移相控制策略仍需分别推导,不能得到适用于各类移相控制的统一动态模型;而且所建立的以直流电压和漏感电流为状态变量的动态模型,不能满足以有功功率及无功功率为控制目标的要求。本文依托国家自然科学基金项目——“无工频变压器级联式多电平变换器关键技术研究(51077125)”与“新一代高频隔离级联式中高压变频器关键技术研究(51577187)”。以移相PWM控制下双有源桥DC-DC变换器作为电力电子变压器功率传输级为研究对象,分别对适用于各类移相PWM控制下双有源桥DC-DC变换器的统一功率模型建模方法及变换器稳态特性分析方法,各类移相PWM控制下变换器统一软开关分析模型与电路参数优化设计方法,以及统一小信号动态模型建模方法,三个方面展开深入研究。SPS控制只存在两个有源桥间的外移相角一个控制变量,因此发生开关动作时,都是H桥内对角线上一对导通的开关管的并联snubber电容与处于关断状态一对开关管的并联snubber电容,高频变压器漏电感以及变压器副边等效直流电压形成零电压软开关谐振电路,本文将此过程定义为“四管谐振软开关等效电路”。EPS控制中,变换器一侧H桥软开关过程与SPS控制时一致;而在桥间外移相的基础上,另一侧H桥内嵌入内移相角,使该H桥发生开关动作时,即将关断的开关管的并联snubber电容与同桥臂即将开通开关管的并联snubber电容,漏电感以及高频变压器副边等效直流电压形成谐振电路实现软开关,本文称此种软开关电路为“二管谐振软开关等效电路”。而在DPS控制中,变换器的软开关过程都是“二管谐振软开关等效电路”。至此,本文将各类移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的零电压软开关过程进行了统一等效分析。在此基础上,本文采用线性等效方法近似snubber电容抽取开关管电流过程中电压与电流的变化过程,建立了零电压开关过程的开关损耗数学模型。因此在以上所得出的软开关限制条件与电路参数优化设计方法中,既准确建立了移相PWM控制下零电压软开关谐振过程限制条件,又充分考虑了开关损耗对电路参数设计的影响。通过移相角的重新定义,建立了各类移相PWM控制的统一描述方法;将变压器两侧输出方波电压和梯形方波电流进行傅里叶分解,考虑对于不同次谐波含量而言,功率交换特性相同并且彼此间没有影响,基于交流相量法建立了同次谐波分量的统一复功率模型,从而实现了SPS、EPS、DPS控制的功率传输特性分析。进而在变压器两侧电压匹配情况下,建立了描述不同移相控制控制特性的某次谐波分量的相量分析图,并通过相量图形式统一了三种移相控制方式下对功率传输特性的分析并给出了各自的控制区域与边界条件。根据控制区域条件与统一复功率模型可以得出各类移相控制的有功功率与无功功率的分布图。通过在给定有功功率情况下,对比分析各种移相控制下无功功率大小发现,SPS控制下变换器的漏电感无功功率最小。在上述工作基础上,进一步建立了各自的有限次求和形式的时域表达式,并带入双有源桥DC-DC变换器交/交环节的状态微分方程,通过将双有源桥DC-DC变换器交/交环节的状态微分方程带入,引入小信号扰动,获得适用各类移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的统一动态小信号模型,比较与分析各类移相控制动态特性。综上,本文的主要创新点有以下三个:1)提出了移相PWM控制下零电压软开关谐振过程中“四管谐振电路”与“二管谐振电路”两种谐振等效电路。该等效分析电路统一并简化了不同移相PWM控制软开关谐振分析过程。在此基础上,建立了两种谐振等效电路的开关损耗数学模型,并提出了“完全软开关曲线”的概念及软开关限制条件。综合软开关限制条件与开关损耗模型,提出了硬件参数(snubber电容与漏电感)的优化设计方法。该方法解决了传统移相控制软开关谐振分析不准确的问题。2)提出了适用于所有移相PWM控制策略的统一相量分析法与复功率模型。该方法明确了双有源桥DC-DC变换器有功功率与无功功率的定义及移相控制特性,物理意义清晰,便于理解与分析;在此基础上,建立了适用于三种移相PWM控制策略的统一动态小信号模型,并提出传输功率相同的情况下,传统单移相PWM控制策略的漏电感电流有效值最小,双重移相PWM控制策略的动态性能最优的结论。3)提出了稳态情况下单移相PWM控制而动态过程采用双重移相PWM控制的混合控制策略。该混合控制策略提高了变换器动态性能的同时,降低了变换器的通态损耗,提高了变换器效率。最后通过半实物仿真与电力电子变压器物理试验平台验证了本文所提出的理论观点的正确性,为下一步研究奠定基础。

论文目录
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摘要

Abstract

1 引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的提出

1.2.2 基于双有源桥DC-DC变换器的移相PWM控制理论

1.2.3 双有源桥DC-DC变换器软开关研究现状

1.2.4 双有源桥DC-DC变换器动态小信号模型研究现状

1.3 论文的研究内容和创新点

1.4 本章小结

2 双有源桥DC-DC变换器的工作原理及软开关特性

2.1 双有源桥DC-DC变换器

2.2 基于双有源桥DC-DC变换器的移相PWM控制策略

2.2.1 传统单移相PWM(SPS)控制原理及软开关特性

2.2.2 扩展移相PWM(EPS)控制原理及软开关特性

2.2.3 双重移相PWM(DPS)控制原理及软开关特性

2.3 移相PWM控制双有源器DC-DC变换器的统一软开关模型

2.3.1 移相PWM控制下双有源桥DC-DC变换器软开关分类

2.3.2 四管谐振软开关电路谐振特性分析

2.3.3 二管谐振软开关电路谐振特性分析

2.4 移相PWM控制双有源器DC-DC变换器的统一损耗模型

2.4.1 四管谐振软开关电路开关损耗模型

2.4.2 二管谐振软开关电路开关损耗模型

2.5 移相PWM控制双有源器DC-DC变换器的参数优化设计方法

2.6 本章小结

3 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器统一相量分析法

3.1 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的统一功率表达式

3.2 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的相量分析法

3.2.1 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的相量表达式

3.2.2 传统单移相PWM(SPS)控制策略的相量法分析

3.2.3 扩展移相PWM(EPS)控制策略的相量法分析

3.2.4 双重移相PWM(DPS)控制策略的相量法分析

3.3 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的统一功率模型

3.4 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器的功率特性分析

3.4.1 传统单移相PWM(SPS)控制策略的功率特性

3.4.2 扩展移相PWM(EPS)控制策略的功率特性

3.4.3 双重移相PWM(DPS)控制策略的功率特性

3.4.4 移相PWM控制策略的功率特性

3.5 本章小结

4 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器控制器设计

4.1 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器统一小信号模型

4.1.1 直流输出电压小信号模型

4.1.2 漏电感电流小信号模型

4.1.3 移相PWM控制双有源桥直流变换器小信号模型矩阵

4.2 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器动态特性

4.2.1 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器传递函数

4.2.2 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器动态性能分析与比较

4.3 移相PWM控制双有源桥DC-DC变换器控制器设计

4.3.1 双有源桥DC-DC变换器控制器设计

4.3.2 混合控制策略

4.4 本章小结

5 仿真及试验设计

5.1 仿真设计

5.1.1 双有源桥DC-DC变换器仿真设计

5.1.2 级联整流/逆变级仿真设计

5.1.3 整体仿真

5.1.4 仿真结果

5.2 统一复功率模型仿真验证

5.3 RT-LAB半实物试验设计

5.4 试验设计

5.4.1 总体设计思路

5.4.2 功率部分设计方案

5.4.3 控制部分设计方案

5.4.4 软件设计方案

5.4.5 试验结果

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 今后工作展望

参考文献

致谢

作者简介

在学期间发表的学术论文

在学期间参加科研项目

主要获奖

在校期间的其他科研成果

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