考虑损耗特性的DAB型直流变换器优化设计与分析

作     者：蒋良晨 

作者单位：东北电力大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘闯

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：DAB 移相控制 损耗分析 效率优化 

摘      要：随着电网结构愈加复杂,双向互动、新能源接纳能力的不足,电能质量问题的日渐突出,构建以柔性直流配电网为骨干的能源互联网必将成为未来智能电网发展趋势。尤其是包含新型“源“网“荷的交直流混合型配电网逐渐成为未来配电网建设的重要方向。作为配电网的关键组成设备,传统配电变压器利用工频铁芯实现变压、隔离和能量传输等基本功能,但其可控性、兼容性较差,已远不能满足未来交直流混合型配电网的要求。因此,具有高度可控性的电力电子变压器,成为协调管控配电网电能分布的核心设备。高频直流变换器模块作为电力电子变压器中实现高频隔离、能量传递和电压等级变换的核心装置成为目前研究的热门。双有源全桥直流变换器(Dual-Active Bridge,DAB)作为高频直流变换器中应用最广泛的一种,具备模块化对称结构和能量双向流动能力,其较强的可控性,容易实现软开关等优点,可直接作为直流配电网中不同电压等级之间的接口电路。本文对DAB型直流变换器在传统移相控制下的功率传输和系统损耗产生的原理进行详细分析,建立DAB系统的稳态损耗模型,在系统输入输出电压不变前提下,考虑由于系统损耗造成的高频变压器变比与输入输出电压变比不匹配的情况,对高频变压器的实际变比进行优化设计,提升系统的整体效率。首先,分析了DAB型直流变换器的拓扑结构和工作原理,建立在传统移相控制下变换器电流波形和功率传输的数学模型,详细分析了DAB在稳态运行下各阶段的工作状态,并对传统移相下造成的功率回流问题和软开关的实现条件进行了研究分析。其次,分析了DAB变换器系统中各部分损耗的产生原理,对比各种高频变压器磁芯材料特性,推导了系统损耗的计算方法,并找出影响变压器效率的各种因素,给出高频变压器各项参数设计流程及材料选择方法,为高频变压器和实验系统的搭建提供理论基础。最后,在考虑系统损耗的基础上提出一种效率优化方法,在传输功率一定的工况下通过调整高频压器的实际变比,找到了系统在各种工况运行下的最优点,提高了系统的整体效率。搭建10kW双主动全桥直流变换器实验装置,验证了提出的损耗模型和优化方法的准确性和可行性。