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隔离型双向大功率直流电源变换器的最小回流功率移相控制方法

降低隔离型双向大功率直流电源变换器的回流功率以提高变换效率,对拓展隔离型双向大功率直流电源变换器在大功率直流电源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2kW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。 

大功率直流电源配电网作为分布式电源和储能装置的理想接入方式,可以减少电能变换环节和滤波装置,目前已经成为研究热点[1-4]。隔离型双向大功率直流电源变换器(IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC)具有分布式、模块化和即插即用的软硬件结构[5-8],作为大功率直流电源配电网中各级母线间的接口电路,通过高压端采用串联技术提高电压等级,低压端采用并联技术以提高功率等级,进而实现能量变换和电气隔离[9-13]。 

隔离型双向大功率直流电源变换器目前普遍采用移相控制的方式,主要有单移相(Single-Phase-Shift, SPS)[14,15]、拓展移相(Extended-Phase-Shift,EPS)[16,17]、双移相(Dual-Phase-Shift, DPS)[18]和三移相(Triple-Phase-Shift, TPS)[19,20]四种控制方式。 

单移相控制是IBDC使用最广泛的算法[21,22],该控制方式简单,易于反馈调节,但只能通过调节单一变量控制系统的功率输出,无法调节系统的回流功率、电流应力等特性。 

与单移相控制相比,拓展移相控制不仅扩大了零电压开通(Zero Voltage Switching, ZVS)操作范围,同时也降低了电流应力,提高了效率,并提高了调节的灵活性[23]。双移相控制下变换器的一、二次侧桥的电压转换状态和功率流动的方向相同。因此,相对拓展移相控制,双移相控制更加容易实现,其动态性能更好[23]。 

在传统移相控制方法中,IBDC存在峰值电流过大、开关应力过大等缺点,大量回流功率是引起峰值电流过大、系统通路损耗增大、电能传输效率降低的主要原因。

为了克服上述缺点,文献[24]提出了拓展移相控制下回流功率的概念和算法,并分析了不同的电压转换比k下回流功率的特性,通过减小回流功率,减小了电流应力和功率器件、磁性元件的损耗,提高变换器的效率。文献[25]给出了拓展移相控制在k=1下最小回流功率控制算法。但是,IBDC在双移相控制下回流功率的特性和控制方法还有待研究。 

为了减小IBDC的回流功率和电流应力,本文分析了双移相控制下IBDC的回流功率现象,建立了电源侧、负载侧回流功率的数学模型。在此基础上,提出一种最小回流功率移相控制方法,给出了最小回流功率运行点。

 

图1 隔离型双向大功率直流电源变换器

隔离型双向大功率直流电源变换器的最小回流功率移相控制方法

 

图9 IBDC实验平台

隔离型双向大功率直流电源变换器的最小回流功率移相控制方法

 

结论

本文分析了双移相控制下隔离型双向大功率直流电源变换器中存在的电源侧回流功率和负载侧回流功率。在此基础上提出了一种最小回流功率移相控制方法。并在变换器传输功率不同工况下进行实验,理论分析和实验结果表明:

1)双移相控制的等功率运行点的电流应力和峰值电流随外移相角d2增大而增大。

 2)最小回流功率点左侧的双移相控制的等功率运行点的回流功率随着外移相角d2增大而减小,右侧的双移相控制的等功率运行点的回流功率随外移相角d2增大而增大。 

3)减小回流功率对电流应力的减小有显著作用,但是将变换器的回流功率降低到最小无法将电流应力控制到最小。 

4)在传输相同功率的条件下,相比双移相控制方法,最小回流功率移相控制的功率运行点可实现源侧、负载侧回流功率最小,峰值电流和电流应力显著减小,可减小变换器损耗,提高变换效率。

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