混合三电平DAB变换器软开关分析与多目标优化调制技术研究

该文以混合型二极管箝位型三电平双有源桥(neutral point clamped hybrid three-level dual active bridge,HN3L-DAB)变换器为研究对象。相比于两电平DAB变换器,HN3L-DAB的三电平结构引入中间电平,增加了控制自由度,从而更灵活地控制电感电流。文中首先分析NH3L-DAB的工作原理,推导出各器件动作时的电感电流值以及各工作模式的功率传输函数。在此基础上,针对一类输入高电压、输出大电流场合的应用需求,结合NH3L-DAB变换器的软开关特性,提出了高效率多目标优化调制策略,旨在同时减小导通损耗和开关损耗,兼顾实现高电压侧零电压开通、大电流侧零电流关断、降低电感电流有效值。最后搭建实验平台进行实验,在不同工况下验证三电平DAB变换器拓扑方案的可行性和多目标优化调制策略的有效性。

高比例可再生能源接入下与配电系统分层协同的输电系统自适应规划

分布式可再生能源在配电系统层面的广泛接入使得配电系统具有了类似于输电系统的主动调节能力,输配电系统间的潮流也变得更加灵活双向。为充分利用输配电系统间的互补协调能力,该文提出一种面向未来高比例可再生能源场景的与配电系统相协同的输电系统灵活规划方法。该协同优化框架为一双层结构:上层进行输电系统扩展规划,下层进行配电系统运行模拟。上层模型传递节点边际电价给下层模型,下层模型反馈购售电协议给上层模型,并采用分段线性化、大M法实现模型的线性转化。利用强对偶理论将原双层问题转化为单层等价形式,进而实现商业化软件的有效求解。针对搭建的高比例可再生能源输配电系统,通过算例对比分析验证了所提方法的有效性,并进一步分析了输配电系统参数对规划结果的灵敏度影响。

串扰有源抑制型SiC MOSFET驱动方法

与传统Si材料相比,SiC材料有着更高的场强,热导率和能隙。因而Si CMOSFET更适用于高压高频的工作场合,以提高系统效率。然而随着开关速度的提高,栅极串扰问题变得更为严重。文中根据SiC MOSFET的开关特性,提出一种具有电平移位功能的高速负压驱动器。考虑到负压驱动对串扰的抑制能力有限,在此基础上加入无需主动控制的米勒钳位回路实现了对串扰的有效抑制,并克服了传统的米勒钳位方式增加驱动控制复杂度的问题。双脉冲测试和串扰测试结果表明,该驱动电路在保持高速开关的同时串扰电压得到了有效的抑制。

三重移相调制下DAB变换器全功率范围统一ZVS控制策略

双有源全桥(dual active bridge,DAB)直流变换器有多种调制方式,采用三重移相(triplephaseshift,TPS)调制方式时,有3个控制量,更加灵活。该文分析TPS调制方式下DAB变换器的开关模式及工作波形,推导出在不同工作模式下实现各器件软开关All-ZVS(zero voltage switching)的控制变量约束条件,得到实现All-ZVS的可行域。在此基础上与已有的电感电流有效值最优化控制算法结合,提出一种电流有效值准最优化的All-ZVS控制策略。该策略在全功率范围和双向功率传输下改善了器件的工作条件,在减小导通损耗的前提下进一步消除了开关损耗,大大提高了效率,在低功率段的效率提升尤为明显,有利于进一步提升变换器的开关频率和功率密度。最后搭建实验平台进行验证,实验结果验证了理论分析的有效性。

数字控制DC-DC变换器改进离散迭代建模和稳定性分析

离散迭代模型是一种能精确描述数字控制变换器特性的工具,然而传统的离散模型通常计算复杂而且不够直观,不利于控制器的设计。该文对离散迭代模型进行合理近似,推导出数字控制DC-DC变换器在前沿和后沿调制下的二阶全局等效电路模型,解决了传统模型直观性和精确性之间的矛盾。该模型可以反映具有不同脉冲宽度调制方法的DC-DC变换器的稳态和动态行为。在等效电路的基础上,分析了数字控制的特性,推导出了z域传递函数,从而得到了不同调制方式下控制-输出的频率响应,并且分析了两种调制方式对系统稳定性的影响。此外,等效电路模型可以准确地跟踪详细开关电路的工作波形,并且对系统参数变化时系统的稳定边界做出精确预测。最后,搭建了DC-DC变换器的样机,验证了模型和理论分析的有效性。

SiC MOSFET新型负压关断串扰抑制驱动电路

基于碳化硅(SiC)材料的第三代宽禁带功率器件的出现,推动着电力电子变换器朝着高频化、高功率密度、小型化方向发展。但随着开关速度的提高,电路中寄生参数的影响越来越大,导致桥式变换器存在严重的串扰问题。文中根据SiC金属–氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxidesemiconductor field-effect transistor,MOSFET)的工作特性,在RCD(电阻-电容-二极管)电平移位的驱动电路基础上提出一种新型的串扰抑制驱动电路。该电路通过电容和可控低压器件串联,并利用电路自身电压差驱动可控器件,为串扰电流提供一条低阻抗吸收回路,可有效地对串扰问题进行抑制。建立串扰抑制驱动电路的等效电路模型,推导得到该电路结构中电容容值与串扰电压峰值的量化关系,为该电路结构的设计提供理论依据。最后,通过双脉冲实验测试验证所提出电路的有效性及等效模型和理论计算的正确性。实验结果表明,与传统驱动电路相比,提出的串扰抑制驱动电路能够在不同电压与电流工况下,在保证开关速度的前提下,很大程度上抑制串扰尖峰电压。

应用于交-交变换的M3C矩阵变换器系统控制策略

模块化多电平矩阵变换器(M3C)作为一种新型拓扑具有诸多优点,但其控制变量较多、控制结构复杂。文中首先对M3C系统的工作原理进行了分析,并建立了其数学模型;在此基础之上,分析并研究了M3C系统的输出电压和电流、桥臂电流、桥臂能量均衡、桥臂子模块电容电压等电气参量的控制策略,同时给出了M3C系统交流侧电压、电流的输入、输出整体控制策略,以实现M3C的稳定运行,且具有较好的动、静态特性。最后,通过建立M3C系统结构的仿真模型及实验平台对控制方法进行仿真和实验,验证了M3C系统控制策略的可靠性及稳定性。

宽范围CLLLC双向同步整流数字控制方法

为解决车载充电器(OBC)系统的双向CLLLC谐振变换器在宽范围工作条件下效率过低、开关管温度过高等问题,该文提出一种数字同步整流控制方法。该方法以CLLLC拓扑的脉冲频率调制(PFM)控制模式为基础,通过对不同工作频率模态的分析,总结推导同步开关管与主动管驱动时间的关系。在宽电压的调制频率范围内,分别通过分析计算和线性函数分段拟合的方法得到同步管驱动信号的延迟开通和提前关断时间。相较于其他同步整流控制,此方法利用纯数字控制实现,可应用于母线电压变化范围宽的大功率场合,且适用于双向变换器,避免了模拟控制芯片对母线电压变化敏感的缺点,控制方法简单且易于实现,成本更低,设计更简单。最后,搭建了仿真平台和实验样机对所提出的方法进行验证。仿真和实验的结果表明,该策略可以使系统效率最大提升3%左右,且能极大降低开关管温度。

新型配电系统分布式源网荷储资源广域电压自趋优管控方法

不同于单纯电能分配的传统配电网,新型配电系统逐步展现出源-网-荷-储等众多资源的强耦合强关联复杂大系统形态,其各类资源呈现出“点多、面广、量少”的广域分布特征。挖掘可再生能源发电、分布式储能及柔性负荷等分布式资源的广域电压调控潜力对构建源网荷储高度融合的新型配电系统具有重要意义。文中提出了一种基于数据驱动的新型配电系统分布式源网荷储资源广域电压自趋优管控方法,通过可再生能源发电、储能及柔性负荷等分布式资源的综合协同控制,在保证储能后备容量和降低网损的同时能够提高配电网广域电压质量。最后,以某城市配电网为例验证了所提方法的有效性和先进性,比传统调压方法更加契合新型配电系统的电压调控需求。