双重移相控制下双有源桥变换器最小回流功率全局优化控制

双有源桥(dual-active-bridge,DAB)DC-DC变换器通常用于能量转换。然而,传统的单移相控制使得变换器在输入电压和输出电压不匹配时产生较大的回流功率,特别是轻载情况下该现象更为严重。现有基于双重移相控制(dualphase-shift,DPS)的回流功率优化策略,尚未考虑全功率范围内的回流功率,也缺乏对所有工作模式下最小回流功率的研究。为此,该文提出一种考虑全功率范围、全工作模式的DPS最优控制策略。首先,详细阐述回流功率产生的机理,建立了不同工作模式的传输功率和回流功率数学模型。然后,计及不同工作模式的功率限值,将DPS控制的传输功率分成不同的功率区。在此基础上,提出了一种基于最小回流功率的DPS最优控制策略,通过分析不同工作模式下的优化路径获得各个功率区的最优移相角,进而提升DAB变换器的传输效率。最后,搭建实验平台验证所提最小回流功率控制策略的可行性。

新扩展移相角下的双有源桥DC-DC变换器优化控制策略

为提高双有源桥(dual active bridge,DAB)DC-DC变换器的效率,降低其控制复杂度,提出一种基于扩展移相控制的最小电流应力闭环优化控制策略。首先,依据两侧全桥输出电压间的相位关系和桥内移相角的大小,重新定义新的移相比,以确保移相比与传输功率的正相关性;接着,基于开关管的通断顺序,对DAB的进行工作模态的划分,并择优选出两种作为其实际工作模态;然后,利用Karush-KuhnTucker条件法实现在软开关条件下全功率段的电流应力优化,并与新的移相比相结合设计出一种更为简洁的闭环优化控制策略;最后,搭建DAB仿真模型及实验样机进行验证,结果表明:所提控制策略不但具有控制简单、易实现的特点,同时能在全功率范围内实现最小电流应力控制和开关管的软开关特性。

T型三电平双有源桥变换器ZVS优化策略

当输入输出电压不匹配时,为了使双有源桥变换器(dual-active-bridge,DAB)在全功率范围内运行都能实现零电压开通(zero voltage switching,ZVS),以T型三电平双有源桥(T-type three-level DAB,T3L-DAB)变换器为研究对象,与传统两电平DAB相比,该变换器引入了中间电平,增加了控制自由度。结合移相控制,提出了功率分段式ZVS(power segmented ZVS,PSZVS)优化方法,能够灵活控制电感电流的方向,实现了开关管在全功率范围内的ZVS。最后,在StarSim硬件在环实验平台和实物实验平台上进行了验证,实验结果表明,PSZVS优化方法在实现全功率范围内开关管ZVS的同时,兼顾了对电流应力和回流功率的优化。在低功率运行时,PSZVS优化下系统效率可达94.1%,而传统移相控制系统效率仅为82.5%。因此,所提PSZVS优化方法在提升系统效率方面是有效可行的。

基于DSP双向开关型无桥PFC变换器的研究

对一种新颖前沿的单相双向开关型AC/DC无桥PFC拓扑进行研究,采用数字化前馈补偿,改善传统双环输入电流畸变问题,通过引入该种MCM数字前馈占空比补偿,使得系统在负载全功率范围内,输入电流波形不受电感连断续下模型差异的影响,都能得到一个较好的PFC效果。对于外环电压带宽低,采用输出负载电流前馈,改善其动态性能。最后搭建1k W的无桥PFC样机,并在该平台上验证了该套方案的可行性。

双向开关型PFC变换器数字化控制研究

对一种新颖前沿的单相双向开关型AC/DC维也纳(Vienna)PFC拓扑进行研究,采用数字化前馈补偿,改善传统双环输入电流畸变问题,通过引入MCM数字前馈占空比补偿,使得系统在负载全功率范围内,输入电流波形不受电感连断续下模型差异的影响,得到了较好的PFC效果。通过理论分析,推导出MCM前馈占空比补偿的表达式,最后搭建1 k W的Vienna-PFC样机,并验证了方案的可行性。

基于三重移相的双有源桥DC-DC变换器效率与动态性能混合优化控制策略

为提升双有源桥(DAB)DC-DC变换器的效率和动态响应速度,在三重移相控制的基础上,提出一种混合优化控制策略。首先,从三重移相控制下的DAB工作模式中,选出两种作为变换器的实际工作模式,并引入新的外移相角,用以降低变换器建模和后续优化设计的难度;然后,分析这两种模式的工作特性,推导各自模式下的传输功率模型、电流应力表达式和软开关约束条件,借助Karush-Kuhn-Tucker条件法,求出满足最小电流应力和软开关条件的最优移相比组合;之后,建立输出电压状态空间模型,利用当前电压电流信息预测下一时刻输出电压,以改善变换器的动态性能;最后,搭建实验样机,验证了所提混合优化控制策略的有效性和优越性。

空冷型质子交换膜燃料电池系统效率的实验研究

以空冷型质子交换膜燃料电池系统为研究对象,通过实验测试,获得了全功率下的系统效率。实验结果显示:在燃料电池系统全功率范围内,系统效率随系统功率变化呈现抛物线形状。随着系统功率提高,系统效率快速上升,达到最高效率后缓慢降低,然后基本趋于平缓。系统在额定功率下的效率约为47%,系统最高效率约为56%,出现在系统50%额定功率点附近。本文设计了一个双堆结构空冷型燃料电池系统。基本设计理念是燃料电池系统含有两个电堆,而且双堆串联进气即将前一个电堆的阳极尾端氢气,经过气水分离器后引入后一个电堆。实验结果显示:在相同排氢频率条件下,与相同单电池数量的单堆系统相比,双堆结构燃料电池系统发电性能基本没有变化,在高功率区间发电性能略有提升;双堆结构燃料电池系统效率有明显增加,系统最高效率达60.23%。在低功率发电区间,系统效率大概增加了2%~4%;在高功率发电区间,系统效率大概增加了约5%。该双堆结构燃料电池系统具有良好的实际应用价值。