【摘 要】
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双向全桥串联谐振DC/DC变换器(Dual Bridge Series Resonant DC/DC Converter,DBSRC)可作为直流微电网中的接口设备,用于将储能系统、新能源发电系统以及直流负载连接至直流母线,对微电网的高效运行起着重要作用。DBSRC的精确建模及分析较为困难,目前通常采用基波近似(Fundamental Harmonic Approximation,FHA)分析法来建
【基金项目】
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国家重点研发计划“中低压直流配用电系统关键技术及应用”项目,项目编号:2018YFB0904700; 国家自然科学基金“直流配电网中直流变压器的暂态控制与短路故障穿越研究”项目,项目编号:51977092
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双向全桥串联谐振DC/DC变换器(Dual Bridge Series Resonant DC/DC Converter,DBSRC)可作为直流微电网中的接口设备,用于将储能系统、新能源发电系统以及直流负载连接至直流母线,对微电网的高效运行起着重要作用。DBSRC的精确建模及分析较为困难,目前通常采用基波近似(Fundamental Harmonic Approximation,FHA)分析法来建模。然而,FHA分析法仅能得到近似解,所产生的误差尚未得到充分的研究。因此,本文全面研究了DBSRC在时域(Time Domain,TD)中的精确模型以及效率优化方法,并研究降低效率优化控制算法计算量的有效途径。本文首先分析了DBSRC在单移相(Single Phase Shift,SPS)控制下的工作过程及其电路特性,采用TD分析法建立了精确的TD模型。在此基础上,系统地对比了TD分析法的求解结果与FHA分析法的求解结果存在的误差,证明了FHA分析法得出的传输功率,在轻载下偏离谐振频率时误差较大,为变换器的优化设计提供参考依据。其次,本文分析了影响DBSRC效率的因素,主要包括开关电流应力、电流有效值、软开关范围与开关谐振频率比、电压转换比之间的关系。基于TD分析法所得出的结论,本文提出了基于变频移相的效率优化控制方法,相对于定频SPS控制能够在全功率范围内取得高的效率;同时,通过对比TD分析法与FHA分析法在效率优化效果上的差异,论证了FHA分析法在效率优化上具有足够的精确性;在此基础上,分别采用TD电流有效值优化、基波电流有效值优化、TD电流峰值优化以及开关电流应力优化等4个途径完成了效率优化的研究,并对比了四种效率优化方法的效果,结果表明,本文所提出的变频移相控制方法在四种效率优化方式下有着很接近的优化效果。接着,本文分析了三重移相(Triple Phase Shift,TPS)控制下DBSRC的工作特性,基于FHA分析法推导了最小电流轨迹(Minimum Current Trajectory,MCT)优化方法;分别采用最小二乘法及分段线性化方法对MCT优化轨迹进行了简化,得到了拟合最小电流轨迹(FIT Minimum Current Trajectory,FIT_MCT)以及分段线性化最小电流轨迹(Piecewise-Linear MCT,PL_MCT)等2种效率优化方法,两种简化方法在保证效率优化效果的前提下,都降低了控制算法的计算复杂度。最后,本文介绍了DBSRC实验台架系统的设计过程,包括主电路参数、高频变压器、谐振电容参数以及谐振电感的设计。搭建了基于IGBT功率器件的1.5 k W DBSRC实验台架完成了本文研究结论的实验验证。
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