应用于储能系统的隔离型双向全桥直流变换器的软开关特性研究

在储能系统中,隔离型双向全桥直流变换器(DAB)因为其优异的特性而得到广泛的应用。首先分析了DAB在传统移相控制下的工作原理和软开关特性。针对DAB在轻载时将失去软开关的情况,引入了单边全桥脉冲宽度调制(Single H-Bridge PWM)的控制方法。重点分析了DAB在单边全桥脉冲宽度调制下的软开关特性以及调制占空比的选取原则。最后,在Saber仿真软件里搭建了DAB的电路模型,并且通过仿真得到在单边全桥脉冲宽度调制下,DAB的效率显著提高。

一种非隔离高增益直流升压变换器

针对太阳能光伏发电系统对高增益、高性能直流升压变换器的需求,提出一种非隔离新型高增益直流升压变换器。分析该变换器的工作原理,对其电压增益、开关管/二极管电压应力、电感电流应力等性能指标进行算式推导。通过与现有同类型变换器性能的对比研究,证实该变换器具有电压增益高、开关管/二极管电压应力较小的优点。最终通过PSIM软件仿真,证实对该变换器所作理论分析的正确性及其优势的有效性。

基于开关电感/电容的直流升压变换器设计

针对传统直流升压变换器电压增益不高、能量转换效率较低的问题,结合开关电感、开关电容模块的优点,规避两模块独立使用的缺点,提出一种新型高增益非隔离型直流升压变换器。全文就该变换器的主要性能与一些常用高增益变换器进行了对比研究,证实了该变换器具有电压增益高、开关管/二极管电压应力低等优点。最终通过PSIM仿真及实物验证,证实了该新型变换器的有效性,可用于驱动需要高电压的传感器。

基于非线性扰动观测的储能双向DC-DC变换器非奇异终端滑模控制策略

在光储直流微电网系统中,储能双向DC-DC变换器在储能设备与直流母线之间起着关键的接口作用,其在光伏输出功率及负载大信号扰动下的性能优劣至关重要,将直接影响着直流母线电压的稳定运行。为此,提出了一种基于非线性扰动观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)的非奇异终端滑模控制策略。首先采用基于微分几何理论的精确反馈线性化方法,将双向DC-DC变换器系统的状态空间模型转化为布鲁诺夫斯基标准式,并利用非线性扰动观测器对系统扰动量进行估计和补偿。在此基础上设计非奇异终端滑模控制器,并根据李雅普诺夫稳定性理论,证明所提控制策略的稳定性;进而分析所提控制策略的收敛性。最后,通过仿真验证所提控制策略的有效性。仿真结果表明,与文献中典型非线性控制策略相比,本文所提控制策略在光伏输出功率和负载有较大扰动时响应时间较快,并具有电压过充小、稳态误差小的优点。

一种Boost型双向桥式直流变换器的软开关分析

传统双向桥式直流变换器可应用于能量双向传递供电系统中,但其输入输出电流断续。为此提出一种输入输出电流连续且可实现软开关的Boost型双向桥式变换器,该变换器具有结构对称、电气隔离和控制简单等优点,适用于输入输出电流脉动较小的应用场合。介绍该变换器的工作原理,且详细分析开关管电压和电流在开关过程中的变化情况,并据此推导出在考虑结电容影响时开关管实现零电压开关的条件。最后通过一台1 kW的原理样机对理论分析进行验证。

双向全桥直流变换器的全功率范围软开关控制技术的研究

双向全桥直流变换器不依靠额外的电路就能实现软开关,具有较高的效率。采用传统的纯移相调制方法,传输功率大,但无法在轻载时实现软开关;采用移相加占空比调制方法,可以在全功率范围内实现软开关,但最大传输功率会随着占空比的减小而减小,小占空比情况下功率输出受到限制。本文研究了双向全桥直流变换器的软开关特性,结合纯移相调制和移相加占空比调制的特点,提出一种新的优化控制方法,该控制方法可实现两种调制方法的平滑切换,在实现全功率范围内的软开关的同时又保证了传输功率的最大化。最后,本文在一台12k W的样机上对提出的控制方法进行了验证,实验结果表明了所提控制方法的正确性。

一种应用于光伏系统的软开关双向直流变换器

文章设计了带有源缓冲电路的软开关双向直流变换器,在光伏系统高压侧与低压侧能量交换的过程中,该变换器通过有源缓冲电路实现了其开关管的软开关,很好的解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题。根据文章理论试制了一台200 W样机。由实验可知,变换器在boost,buck工作模式下均实现了其开关管的零电压开关,有效减少了变换器的开关损耗。与传统双向直流变换器相比,文章提出的软开关双向直流变换器在较大的负载范围内具有最优效率曲线,表现出良好的性能。

双向全桥直流变换器的软开关实现与硬件参数优化

重点介绍了双向全桥直流变换器中高频隔离变压器的漏感与串联辅助电感的参数优化设计。直流变换器作为高频隔离双向多电平变换器的中间级,控制变换器能量的双向流动。通过详细分析传统移相控制下双向全桥直流变换器运行过程以及超前桥与滞后桥分别实现软开关条件,得出满足软开关条件的电感参数与死区设置时间。通过具有三级结构的级联多电平变换器的实验平台,验证了电感参数优化保证软开关实现的有效性,同时提高了直流变换器的效率。

双向隔离DC-DC变换器的损耗优化控制

计及储能系统对不同电压等级DC-DC变换器端口在宽电压输入、高升压比、低电流纹波、低损耗、安全性等方面的要求,着重对其电路特性、调制控制和损耗优化三方面进行研究。研究成果对提高双向隔离DC-DC变换器效率及其在储能系统中的应用有借鉴价值。

适用于直流微网系统的新型双向三端口变换器及其控制策略

在传统分布式新能源并网接口中增加储能装置作为第三端口,可有效改善因分布式新能源强不确定性和随机性等特征引发的输出功率波动问题。为此提出并研究了一种适用于高升降压比直流微网系统的新型非隔离双向三端口变换器及其控制方法。通过集成双有源半桥变换器和非隔离双向Buck/Boost变换器,实现了三个端口中任意两个端口之间功率的双向传输。详细分析了所提新型变换器的工作原理、变换器输出特性以及控制策略,通过移相+脉宽调制控制方法,实现了宽范围的电压调节和各端口间功率的平滑切换。搭建了一台1 kW的试验样机,验证了所提出的新型三端口变换器及其控制方法的可行性和有效性。研究结果对于提高分布式新能源接入稳定性具有理论指导与工程实践借鉴意义。

改进单周期控制策略的双向大变比DC-DC开关变换器

大变压比的双向DC-DC变换器广泛地应用于电池的充放电系统、电动汽车、不间断电源、启动/发电系统、光伏发电系统和航空电源系统等场合,其重要性能指标是效率、质量和成本。但是传统非隔离型双向DC-DC变换器在高频下难以取得较大变压比,同时会导致较大的电压电流应力和较大的损耗。为实现非隔离型双向DC-DC变换器的大变比应用,将耦合电感引入非隔离双向DC-DC变换器,实现输入输出电压大变比和效率提升;针对新型双向大变比直流变换器升降压Buck/Boost电路,提出一种改进单周期控制模型,该模型基于所提电路不同工作模式下的有效占空比并结合输出反馈补偿控制,实现有效控制和提高负载的动态响应能力。分析具有耦合电感双向DC-DC开关变换器的工作原理和控制特性,并通过计算机仿真和样机实验验证了所提电路和控制策略具有更高的转换效率、更强的鲁棒性和优良的抗扰动能力。

一种隔离型三端口双向LCLC多谐振直流变换器

提出一种隔离型多谐振双向三端口直流变换器。LCLC多谐振结构具有三个谐振频率,通过参数设计令三个谐振频率分别为基频和三倍频的串联谐振频率以及二倍频的并联谐振频率。由于多谐振腔具有基频和三倍频两个串联谐振频率,因此可以对变换器中的基频和三倍频能量进行传递,提高能量传递效率。谐振腔电流为基频和三倍频电流的叠加,有效地降低了谐振腔电流峰值。此外,变换器采用移相控制方法实现三个端口间功率的灵活控制,并且通过调节不同负载情况下的驱动频率,保证了全负载范围内三个端口所有开关管的零电压软开关(ZVS)特性,有效地抑制了变换器的开关损耗,保证全负载范围内的高效率。同时,变压器的漏感作为谐振电感的一部分,削弱了变压器寄生参数对电路特性的影响。最后,设计一台1.5k W实验样机,其正向和反向的最高效率分别为96.7%和96.9%,功率在0.5k W以上时双向效率均高于95.5%,证明了变换器在全负载范围内的高效率特性。实验结果验证了理论分析的正确性与可行性。

纯电动汽车软开关双向直流变换器boost工作模式分析

针对电动汽车采用的双向直流变换器效率不高的问题,提出一种带有源缓冲电路的双向直流变换器。在工作过程中,双向直流变换器通过有源缓冲电路实现开关管的软开关,解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题,使变换器在具有较高效率的同时又能够稳定的输出。由试制的一台200 W样机可知,变换器在boost工作模式下实现了开关管的零电压开关,有效减少了变换器的开关损耗。通过与传统双向直流变换器进行比较,双向直流变换器boost工作模式在较大负载范围内有最优效率曲线。

软开关双向直流变换器buck工作模式分析

针对双向直流变换器效率不高的问题,提出了一种带有源缓冲电路的软开关双向直流变换器,阐述了软开关双向直流变换器的电路结构和工作原理,讨论了零电压开关的实现条件,分析了实验结果,并在理论分析的基础上试制了一台200 W样机。通过研究可知:变换器通过有源缓冲电路实现了其开关管的软开关,并且很好地解决了开关管寄生二极管的反向恢复问题,使变换器在具有较高效率的同时又能够稳定输出;变换器在buck工作模式下实现了开关管的零电压开关,有效减少了变换器的开关损耗;与传统双向直流变换器相比,带有源缓冲电路的软开关双向直流变换器在较大的负载范围内具有最优效率曲线,表现出良好的性能。

适用于海上风电场直流互联的双极性输出非隔离型自耦直流变换器

多端直流输电与直流电网是解决新能源并网的一项重基金项目:国家自然科学基金项目(61374155);上海市自然科学基金项目(18ZR1418400)。Project Supported by National Natural Science Foundation of China(61374155);The Nature Science Foundation of Shanghai(18ZR1418400).要技术手段,不同直流电压等级间互联离不开各种类型的直流变换器。针对近海、远海全直流海上风电场,新能源直流源内部复杂性致使难以直接实现对称双极性直流输出;此外,海上换流站建设成本高,传统的非隔离型直流变换器含有较大的工频变压器,占地面积大。为了满足单极直流传输线与双极直流传输线间的互联,同时考虑到变换器的体积与成本,提出了一种不含隔离变压器双极性输出的直流变换器拓扑,并提出了与之相配合的调制与控制方法。该直流变换器拓扑与其他双极性输出直流变换器相比,不需要使用工频变压器,体积、成本降低;没有交直流变换过程,效率较高;开关频率低,损耗小;子模块可增减,有较好的冗余度与容错性。基于Matlab/Simulink对提出的拓扑进行仿真验证,通过搭建实验平台,验证了拓扑及控制方式的可行性。

隔离型双向直流变换器的最小回流功率移相控制方法

降低隔离型双向直流变换器的回流功率以提高变换效率,对拓展隔离型双向直流变换器在直流配电网中的应用具有重要意义。首先,阐述双移相控制的工作原理和变换器回流功率产生的原理,建立传输功率和电源侧、负载侧回流功率的数学模型,分析减小回流功率对减小电流应力、提高效率所起的作用。其次,提出一种最小回流功率移相控制方法。在传输相同功率的条件下,相比双移相控制方法,该方法控制的功率运行点可实现回流功率最小。最后,在所搭建的2k W实验平台上进行实验验证,结果表明,所提控制方法在不同工况下均能实现最小回流功率运行,从而有效地减小了电流应力及功率损耗,提高了效率。

耦合电感式开关准Z源双向直流变换器

针对电动汽车的多源系统应用背景,本文提出一种应用于超级电容的耦合电感式开关准Z源双向直流变换器。在传统的开关准Z源拓扑基础上,通过将开关准Z源网络中的电感进行耦合,从而减小所需的总电感量与磁芯体积,进一步提高变换器的功率密度。本文对电感耦合后的开关准Z源变换器进行了运行原理及稳态分析,对所提电感耦合方案进行了理论分析与参数设计,并与分离式电感进行了比较,最后通过样机实验验证了理论分析的正确性。

一种定频移相控制双向隔离型直流变换器的运行特性统一分析方法研究

定频移相控制双向隔离型直流变换器(isolated bidirectional DC/DC converter,IBDC)综合了定频移相与变频谐振两种控制策略在电压输出、功率传输以及软开关等方面优越性能。文中首先详尽分析单移相控制串联谐振变换器典型运行模式工作过程与软开关特性,提出依据开关动作时刻谐振电流方向,判别IBDC运行模式与开关方式的统一判定方法。其次,借鉴交流相量方法建立IBDC交流环节电压、谐振电流与复功率的相量表达式与精确时域数学模型,借助相量图方式直观分析电压增益与移相角度对IBDC运行特性的影响机理,通过时域数学模型全面量化分析电压增益影响下,IBDC在全负载范围内运行模式与开关方式统一判定条件、谐振电流特性与传输功率特性,比较分析不同等效建模方法分析结果的精确度差异。最后,仿真与物理试验结果验证基于相量分析法所提出的定频移相IBDC统一判定方法与数学模型的有效性与准确性。

基于开关电感的非隔离型高增益变换器

提出了一种新型的非隔离型高增益直流升压变换器,并对其工作原理及其性能特征进行了详尽的理论分析和公式推导。在变换器电压增益、开关管和二极管的电压应力等性能方面与一些现有的高增益变换器进行了比较。比较结果表明:新型变换器拓扑结构具有电压增益更高、开关管和二极管电压应力更低等特点。最后,通过实验室1台额定功率为200W的实验样机,实验证实了上述理论分析的正确性。

一种新型高增益软开关双向直流变换器

针对储能设备的充放电应用场景,文中提出一种新型双向直流变换器结构。该变换器具有正向高电压增益、宽输入范围、可实现软开关的特点。通过两个交错并联的电感交替充放电,可以减小输入电流纹波;高压侧的2个分压电容不仅能够将电压增益提高1倍,还能在全状态下都实现自动均压。通过增加谐振单元帮助实现开关管的软开关的同时,谐振单元中的开关管也能够实现零电流关断。文中对拓扑的演绎和改进方法进行阐述,对拓扑结构的工作原理、软开关实现方式进行分析;并与其他的相似拓扑结构进行性能比较。最后通过搭建仿真模型验证设计的变换器结构的有效性和可行性。仿真结果表明:所提变换器具有比传统Boost-Buck电路更高的正向电压增益,能够实现能量双向流动;且无论正向升压模式还是反向降压模式,都能够实现主要开关的软开关,以达到减小拓扑结构自身损耗的目的。