基于不对称抽头变压器的双有源桥谐振变换器的优化控制

作     者：文平辉 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴俊娟

授予年度：2019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：双有源桥串联谐振变换器 扩展移相 零电压开通 无功功率优化 

摘      要：双有源桥式变换器(Dual Active Bridge,DAB)这类拓扑凭借结构比较简单、功率密度较高、可实现软开关、能量双向流动等优势,已在电动汽车领域得到广泛应用。因此,深入研究该类拓扑的潜在优势,并努力提升其传输效率和功率密度,对提高能源利用率、减少不可再生资源消耗有着重要的意义。本文首先给出了双有源桥式变换器的应用背景及研究意义,对该类变换器的典型拓扑及经典控制方式进行了简要介绍;然后总结了双有源桥式串联谐振变换器(Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DBSRC)拓扑和控制策略的研究现状;由于已有研究显示:在相同的移相调制下,基于不对称抽头变压器的DBSRC比传统DBSRC的功率可传输范围更大,电压增益和软开关范围也更宽。故本文将基于不对称抽头变压器的双有源桥串联谐振变换器作为研究对象。在对基于不对称抽头变压器的双有源桥串联谐振变换器的基本特性进行了简单介绍以后,将拓扑简化并建立数学模型,得到其稳态的有功功率、无功功率、电压增益表达式。然后分析了变压器抽头系数对有功功率、无功功率、软开关范围的影响,以及无功功率对变换器传输效率的影响。本文将变换器的无功功率作为待优化的目标函数,有功功率表达式作为等式约束条件,软开关表达式作为不等式约束条件,然后提出了一种可实现无功功率最小化的控制策略,该策略旨在保证变换器传输任何有功值时总能实现开关管的零电压开通(Zero-Voltage Switching,ZVS),并做到无功功率最小化。然后,给出了详细的无功最小化控制流程以及完整的系统控制框图。按照无功优化流程,利用编程软件可求出一定电压范围、功率范围内所有的无功最优控制点,将这些控制点记录在表格中,实验时令控制器根据实时工况去查询该表,即可快速得到所需控制角。最后通过仿真验证控制策略可行性。为了说明该控制方案有可能适用于同类型的其他变换器,本文便以传统的LC型DBSRC为例,设计出适用于该拓扑的控制流程。最后,分析并选取主电路的参数,给出了实验平台所需磁性元件的设计过程及其他器件选型过程,并通过仿真和实验对本文提出的控制策略进行了分析验证。