双向三电平半桥DC-DC变换器及其扩展移相控制策略

作     者：李江荣 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨向宇;何俸禄

授予年度：2021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：双向DC-DC变换器 扩展移相 峰值电流优化 回流功率优化 

摘      要：随着分布式可再生能源的发展,更适合分布式能源的直流微电网逐渐兴起。双向DC-DC变换器作为主要的连接设备在直流微电网中起着能量交换和稳定直流母线电压的作用,但随着应用范围的扩大,其面临着电压电流应力过大、回流功率过大、电能传输损耗大等问题。三电平半桥结构能有效降低变换器开关管电压应力,本文以双向三电平半桥DC-DC变换器为研究目标,通过对移相控制进行优化,提高双向DC-DC变换器的工作性能,包括降低变换器开关管电流应力、回流功率和提高效率。本文首先介绍了直流微电网与其中隔离型双向DC-DC变换器的研究现状,对隔离型双向DC-DC变换器研究现状的介绍包括拓扑、四种移相控制方法和多种控制优化方法。其次对双向三电平半桥DC-DC变换器在单重移相控制和扩展移相控制下工作原理和工作模态进行分析,对两种控制下变换器稳态下的工作特性进行对比分析,表明了大部分传输功率范围内,扩展移相控制下变换器性能更优越且控制自由度高,有利于峰值电流和回流功率的进一步优化。然后在扩展移相控制的基础上,提出了最小峰值电流追踪控制和最小回流功率追踪控制方法,与传统峰值电流和回流功率优化控制方法进行对比分析,表明所提优化控制方法的有效性,建立相应控制结构。接下来针对双极性直流微电网,在双向三电平半桥DC-DC变换器输入端增加了双输入结构,在最小回流功率追踪控制的基础上提出了电压传输比切换方法,在平衡双极性直流微电网正负极母线电压的同时进一步降低了变换器的回流功率。最后通过Matlab/Simulink平台搭建了变换器仿真模型,对变换器的工作原理和本文所提优化控制进行仿真分析。同时对所提的双向三电平半桥DC-DC变换器和双输入结构进行了硬件电路设计,包括主电路设计、控制电路设计、辅助电路设计和软件程序编写,搭建变换器样机及实验平台,对仿真结果进行进一步实验验证与分析,结果表明本文所提的最小峰值电流追踪控制方法、最小回流功率追踪控制方法与电压传输比切换方法均能对变换器的稳态性能进行有效优化。