基于三重移相控制的双有源桥变换器性能优化研究
发布时间：2021-08-24 22:48
过去十年,可再生能源发电量和需求量稳步增长,以可再生能源为动力的新能源汽车也受到越来越多的关注。双有源桥变换器作为可再生能源与新能源汽车之间的关键接口,具有很大实际应用前景和学术研究价值。双有源桥变换器由于其对称化结构、零电压开关能力、灵活的控制方式等优点而受到学术界广泛关注。然而,回流功率占比高、开关管的电流应力大、轻载时软开关范围窄等缺点使得双有源桥在实际应用中受到限制。本文以双有源桥为研究对象,针对上述缺点给出了解决方案,优化了双有源桥的性能。为解决双有源桥变换器的开关管的电流应力大的问题,优化双有源桥变换器的性能,本文设计了一种基于三重移相控制的电感电流峰值最小化控制策略。该策略通过拉格朗日乘数法最小化双有源桥的电感电流峰值,再根据软开关条件划分工作区间得出。该策略在保证软开关的前提下,在全增益范围优化了电感电流峰值,提升了双有源桥的性能。为解决双有源桥变换器的回流功率占比高的等问题,本文提出了一种基于三重移相控制的回流功率最小化控制方法。该方法通过拉格朗日乘数法最小化双有源桥的回流功率,再根据软开关条件划分工作区间得出。该方法在中低功率区间内实现了回流功率为0的优化,在高功率...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
V2G示意图[4]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-洁，输出电压范围更宽，对系统寄生器件的敏感度更低等优点[15]。a)半桥型双有源桥b)谐振型双有源桥c)全桥型双有源桥图1-2双有源桥式DC/DC变换器拓扑本文主要研究全桥型双有源桥式变换器，以下简称双有源桥变换器。针对上文中提到的双有源桥的固有缺点可以从两个方面进行优化，分别是拓扑和控制策略。针对双有源桥变换器控制策略的研究多集中于基本开关状态分析、效率优化控制策略分析等。针对双有源桥拓扑结构改进的研究主要集中于添加开器件或者减少器件来克服或解决软开关丢失、回流功率等缺点。文献[16]提出了用单向二极管代替双向功率开关器件来抑制循环电流的方法。拓扑结构如图1-3a)所示，将变压器二次侧开关管5Q、7Q的辅助电路关断，当功率从左侧传递到右侧时，就可以实现阻止次级侧的循环电流。该拓扑拥有在任何负载条件下全数有源开关的零电压开通能力，且解决了二极管反向恢复问题，还拥有简单的拓扑结构和方便的控制策略等优点[16]，但是该拓扑失去了双向传递功率的能力，不再适用于双向DC/DC变换。文献[17]中给出了可以抑制初级侧和次级侧上的循环电流的方法，添加了额外的功率开关装置1S、2S，如图1-3b)所示。但是增加额外器件必然会带来额外的导通损耗和开关损耗，并且其回流功率的续流路径是一个难题。全桥和半桥混合电路（又称为混合桥电路）中，如果实际电压增益大约为1，也可以减小循环电流。文献[18]给出了实现具有混合桥电路的典型方法。如图1-3c)所示在双有源桥的初级侧和次级侧分别增加两个阻塞电容（1C、2C）使得初级侧和次级侧电路可以作为全桥或半桥工作。例如当开关7Q断开，8Q接通时，次级侧电路变为半桥，1C上有直流压降使得实际输出电压变为正常移相调制时的两
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-或2）下才能有效实现全范围的软开关[18]。文献[19]提出了另一种方案，通过两个辅助开关管来实现混合桥电路，如图1-3d)所示。当1S、2S关闭时，初级电路作为全桥工作。当1S、2S打开2Q、4Q关闭时，初级电路作为半桥工作。两个辅助开关为双有源桥增加了另一个自由度。实际上通过协调1Q、2Q和1S、2S的切换，abU可以输出四电平电压，从而可能实现半桥和全桥之间的连续变化。但是这种方法使电路失去了双向功率流能力，当变压器二次侧是全桥电路那么将会增加额外的导通损耗和开关损耗。a)二极管代替开关管电路b)增加额外的开关管电路c)使用隔直电容的混合桥电路d)使用辅助开关管的混合桥电路图1-3双有源桥式变换器变体电路综上分析可知，添加、减少或者替换器件，不仅可能破坏双有源桥变换器的固有对称特性使控制方式复杂化而且优化的效果一般。1.3双有源桥控制策略研究概况移相控制原理简单、易于实现，而且可以让双有源桥工作在软开关状态；是目前双有源桥应用最广泛的控制方式之一。移相控制策略以移相角为控制变量，控制双有源桥的输出电压的大校根据控制变量的个数将移相控制分为单移相控制（又称传统移相控制）、扩展移相控制、双重移相控制、三重移相控制这四种控制策略。单移相控制策略（Single-phase-shift，SPS）只有一个控制变量，既高频变压器两侧单元全桥之间的移相角1D。双有源桥使用最广泛的控制方法就是SPS控制[20,21]，其波形如图1-4a)所示。图1-4a)中，81Q~Q代表开关管的驱
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽输入电压双有源桥变换器电流有效值最小控制方法研究[J]. 费跃,李若愚,雷园,舒泽亮. 中国电机工程学报. 2019(19)
[2]三重移相调制下DAB变换器全功率范围统一ZVS控制策略[J]. 邵持,童安平,钱语安,杭丽君,何远彬,李国杰,曾平良,吴秋伟. 中国电机工程学报. 2019(19)
[3]扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略[J]. 郭华越,张兴,赵文广,高帅,王付胜. 中国电机工程学报. 2019(13)
[4]电动汽车V2G问题研究综述[J]. 师瑞峰,李少鹏. 电力系统及其自动化学报. 2019(06)
[5]中国“十三五”新能源并网消纳形势、对策研究及多情景运行模拟分析[J]. 张正陵. 中国电力. 2018(01)
[6]双向DC-DC变换器拓扑结构综述[J]. 陈亚爱,梁新宇,周京华. 电气自动化. 2017(06)
[7]基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析[J]. 程红,马志鹏,王聪,沙广林. 电力自动化设备. 2017(05)
[8]关于新能源发展的技术瓶颈研究[J]. 陈国平,李明节,许涛,刘明松. 中国电机工程学报. 2017(01)
[9]双重移相控制与传统移相控制相结合的双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略[J]. 吴俊娟,孟德越,申彦峰,沈虹,孙孝峰. 电工技术学报. 2016(19)
[10]基于双重移相控制的双有源DC-DC变换器的最优电流控制[J]. 王玉斌,王杉杉,封波,董彦彦. 电工技术学报. 2015(14)
博士论文
[1]电力电子变压器中双有源桥DC-DC变换器的研究[D]. 沙广林.中国矿业大学(北京) 2016
硕士论文
[1]CLLC谐振隔离型双向DC/DC变换器的设计与控制方法研究[D]. 张嘉翔.西安理工大学 2019
[2]双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略研究[D]. 宋超超.山东大学 2019
[3]双有源移相全桥DC-DC变换器研究[D]. 张成林.哈尔滨工业大学 2018
[4]双有源桥双向DC/DC变换器控制策略的研究[D]. 陈太俊.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3360866
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
V2G示意图[4]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-洁，输出电压范围更宽，对系统寄生器件的敏感度更低等优点[15]。a)半桥型双有源桥b)谐振型双有源桥c)全桥型双有源桥图1-2双有源桥式DC/DC变换器拓扑本文主要研究全桥型双有源桥式变换器，以下简称双有源桥变换器。针对上文中提到的双有源桥的固有缺点可以从两个方面进行优化，分别是拓扑和控制策略。针对双有源桥变换器控制策略的研究多集中于基本开关状态分析、效率优化控制策略分析等。针对双有源桥拓扑结构改进的研究主要集中于添加开器件或者减少器件来克服或解决软开关丢失、回流功率等缺点。文献[16]提出了用单向二极管代替双向功率开关器件来抑制循环电流的方法。拓扑结构如图1-3a)所示，将变压器二次侧开关管5Q、7Q的辅助电路关断，当功率从左侧传递到右侧时，就可以实现阻止次级侧的循环电流。该拓扑拥有在任何负载条件下全数有源开关的零电压开通能力，且解决了二极管反向恢复问题，还拥有简单的拓扑结构和方便的控制策略等优点[16]，但是该拓扑失去了双向传递功率的能力，不再适用于双向DC/DC变换。文献[17]中给出了可以抑制初级侧和次级侧上的循环电流的方法，添加了额外的功率开关装置1S、2S，如图1-3b)所示。但是增加额外器件必然会带来额外的导通损耗和开关损耗，并且其回流功率的续流路径是一个难题。全桥和半桥混合电路（又称为混合桥电路）中，如果实际电压增益大约为1，也可以减小循环电流。文献[18]给出了实现具有混合桥电路的典型方法。如图1-3c)所示在双有源桥的初级侧和次级侧分别增加两个阻塞电容（1C、2C）使得初级侧和次级侧电路可以作为全桥或半桥工作。例如当开关7Q断开，8Q接通时，次级侧电路变为半桥，1C上有直流压降使得实际输出电压变为正常移相调制时的两
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-或2）下才能有效实现全范围的软开关[18]。文献[19]提出了另一种方案，通过两个辅助开关管来实现混合桥电路，如图1-3d)所示。当1S、2S关闭时，初级电路作为全桥工作。当1S、2S打开2Q、4Q关闭时，初级电路作为半桥工作。两个辅助开关为双有源桥增加了另一个自由度。实际上通过协调1Q、2Q和1S、2S的切换，abU可以输出四电平电压，从而可能实现半桥和全桥之间的连续变化。但是这种方法使电路失去了双向功率流能力，当变压器二次侧是全桥电路那么将会增加额外的导通损耗和开关损耗。a)二极管代替开关管电路b)增加额外的开关管电路c)使用隔直电容的混合桥电路d)使用辅助开关管的混合桥电路图1-3双有源桥式变换器变体电路综上分析可知，添加、减少或者替换器件，不仅可能破坏双有源桥变换器的固有对称特性使控制方式复杂化而且优化的效果一般。1.3双有源桥控制策略研究概况移相控制原理简单、易于实现，而且可以让双有源桥工作在软开关状态；是目前双有源桥应用最广泛的控制方式之一。移相控制策略以移相角为控制变量，控制双有源桥的输出电压的大校根据控制变量的个数将移相控制分为单移相控制（又称传统移相控制）、扩展移相控制、双重移相控制、三重移相控制这四种控制策略。单移相控制策略（Single-phase-shift，SPS）只有一个控制变量，既高频变压器两侧单元全桥之间的移相角1D。双有源桥使用最广泛的控制方法就是SPS控制[20,21]，其波形如图1-4a)所示。图1-4a)中，81Q~Q代表开关管的驱
【参考文献】：
期刊论文
[1]宽输入电压双有源桥变换器电流有效值最小控制方法研究[J]. 费跃,李若愚,雷园,舒泽亮. 中国电机工程学报. 2019(19)
[2]三重移相调制下DAB变换器全功率范围统一ZVS控制策略[J]. 邵持,童安平,钱语安,杭丽君,何远彬,李国杰,曾平良,吴秋伟. 中国电机工程学报. 2019(19)
[3]扩展移相控制的双有源桥DC-DC变换器的优化控制策略[J]. 郭华越,张兴,赵文广,高帅,王付胜. 中国电机工程学报. 2019(13)
[4]电动汽车V2G问题研究综述[J]. 师瑞峰,李少鹏. 电力系统及其自动化学报. 2019(06)
[5]中国“十三五”新能源并网消纳形势、对策研究及多情景运行模拟分析[J]. 张正陵. 中国电力. 2018(01)
[6]双向DC-DC变换器拓扑结构综述[J]. 陈亚爱,梁新宇,周京华. 电气自动化. 2017(06)
[7]基于傅里叶级数建模的双有源桥DC-DC变换器电流有效值分析[J]. 程红,马志鹏,王聪,沙广林. 电力自动化设备. 2017(05)
[8]关于新能源发展的技术瓶颈研究[J]. 陈国平,李明节,许涛,刘明松. 中国电机工程学报. 2017(01)
[9]双重移相控制与传统移相控制相结合的双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略[J]. 吴俊娟,孟德越,申彦峰,沈虹,孙孝峰. 电工技术学报. 2016(19)
[10]基于双重移相控制的双有源DC-DC变换器的最优电流控制[J]. 王玉斌,王杉杉,封波,董彦彦. 电工技术学报. 2015(14)
博士论文
[1]电力电子变压器中双有源桥DC-DC变换器的研究[D]. 沙广林.中国矿业大学(北京) 2016
硕士论文
[1]CLLC谐振隔离型双向DC/DC变换器的设计与控制方法研究[D]. 张嘉翔.西安理工大学 2019
[2]双有源桥式DC-DC变换器优化控制策略研究[D]. 宋超超.山东大学 2019
[3]双有源移相全桥DC-DC变换器研究[D]. 张成林.哈尔滨工业大学 2018
[4]双有源桥双向DC/DC变换器控制策略的研究[D]. 陈太俊.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3360866
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