双有源全桥DC-DC变换器优化调制与并联均流控制

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分布式能源的快速发展,微电网技术成为消纳分布式电源的有效手段,蓄电池、超容器等储能在接入微电网时需要配备双向DC-DC变换器实现能量的双向传输。双有源全桥DC-DC变换器(dual-active full-bridge,DAB)具备电气隔离,高变比升降压、易于实现软开关控制等诸多优点,且能通过串并联组合实现多重模块化方案,被广泛应用于分布式发电等大中功率场合。由于DAB变换器具备多变量控制和系统非线性等因素,效率有待提升,另外在大功率场合下变换器模块化并联还需实现各模块的功率均衡,为此,本文主要开展了变换器的优化调制策略研究和模块化并联的功率平衡策略研究。本文首先对比分析了DAB变换器传统单移相(single-phase shift,SPS)、扩展移相(extended phase shift,EPS)和双重移相(dual phase shift,DPS)传输功率,回流功率、电流应力及软开关特性,得出双重移相控制功率传输范围最宽,灵活性最强。为了减小DAB变换器的功率损耗,考虑全局范围内不同传输功率及输入输出电压调节比,提出了一种双重移相电流应力优化控制策略,建立了双重移相控制所有运行模态的电感电流应力与电压调节比、传输功率及移相角之间的数学关系。在此基础上,推导得出所有模态下变换器工作在最优电流应力状态的移相角条件,通过分段优化两侧全桥内移相角和桥间外移相角保证变换器全局范围内电流应力最优。进一步考虑大功率场合下DAB变换器模块化并联工况,以独立输入并联输出DAB变换器的功率平衡问题为研究对象,为保证系统各相DAB模块在参数不匹配或输入电压幅值不相等时能实现传输功率的自动平衡,基于双重移相控制提出一种无电流传感器均流控制策略。该方法通过扰动实现系统参数的自动估算,并完成各相并联输出模块的逐级自动功率平衡控制。相比传统的单移相均流控制方法,提高了变换器运行效率的同时简化了电路,降低了系统成本。最后搭建了5kW DAB变换器实验样机,对提出的电流应力优化控制策略和无电流传感器均流控制策略进行验证。稳态和暂态实验结果表明:电流应力优化控制策略提高了变换器从轻载到全功率范围的运行效率,无电流传感器均流控制策略在系统模块参数不匹配时能有效实现电感电流和输出电流均衡且动态性能优良。
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