基于Boost全桥隔离拓扑的光伏高压直流并网变流器研究

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高压直流输电网建设和高压直流配电网研究的快速推进,为光伏发电提供了一个新的并网平台,光伏发电系统高压直流并网技术成为一个重要的研究方向。其中,直流并网DC-DC变流器作为连接光伏发电系统和高压直流电网的关键设备,亟需展开研究。本文对基于Boost全桥隔离拓扑的直流并网变流器的建模技术、过电流过电压抑制技术、宽输入电压范围下的ZVS技术、多模块输入并联输出串联的均流均压技术进行了系统研究。  首先调研了常见的大功率电力电子设备拓扑,提出高压直流电网电能变换设备研发的三个基本方向,随后基于能量守恒原理,提出了一种非理想Boost全桥隔离拓扑的大信号模型,根据该模型并分别推导了直流稳态模型和小信号模型。基于直流稳态模型推导了拓扑的基本电路关系,分析了非理想因素对BFBI C电压变比的影响,通过仿真验证了模型的正确性。最后,基于建立的系统的小信号模型,通过Bode图分析了系统的控制稳定性。  系统启动时的冲击过电流问题和运行中的暂态过电压问题是Boost全桥隔离DC-DC拓扑在应用中必须解决的两大主要问题。在详细分析了启动过电流出现原因的基础上,提出了一种利用有源箝位电路的Buck软启动方法,并对方法的工作原理和工作模态进行了详细的研究,讨论了关键参数的设计问题,通过时域电路仿真和样机对比实验,验证了该启动方案的可行性。随后,分析了运行过电压和故障停机过电压产生的原因,研究了抑制过电压的LCD筘位和有源箝位方法,推导了筘位电容容量的计算方法,最后提出了一种有源筘位开关管软开关策略的一种数字实现方法。  效率是考核大功率电力电子设备的重要指标。在造成设备损耗的各种原因中,由开关管硬开关造成的开通损耗和关断损耗,不仅降低了设备的效率,同时限制了开关频率的提高,阻碍了设备功率密度的进一步增大。在分析利用有源箝位电路实现桥电路开关管ZVS的基本原理的基础上,针对光伏发电运行过程中输入电压和功率变化大,低电压轻载情况下ZVS难以实现的问题,通过分析Boost全桥隔离拓扑ZVS的详细工作时序和工作模态,推导各个模态下的基本电压电流关系,提出了不同输入电压、功率时利用变压器漏感和有源箝位电路实现ZVS所必须满足的约束关系,详细分析了漏感峰值电流的确定方法。通过时域电路仿真和对比实验,验证了约束条件的正确性。  高电压大容量的直流输电技术已成为国家能源规划的重要方向,实现并网设备的大功率、高输出电压设计也成为对接国家技术发展趋势的需要,模块化集成技术是实现大功率高电压输出的重要技术。对于多模块集成系统,模块间的均压均流成为首先需要面对的问题。本文首先研究了IPOS系统均压均流之间的关系,分析了IPOS系统均压均流的控制稳定性,同时针对含有电感电阻、漏感的非理想BFBIC,推导了其大信号等效输出模型,第一次从理论上证明了当Boost全桥隔离拓扑采用统一占空比策略时,输出电压均分的可靠性和稳定性,随后通过时域电路仿真验证了大信号等效输出模型的正确性。最后针对模块参数差异较大的应用,提出了一种分布式IPOS均流均压控制策略,通过仿真分析和样机实验,验证了策略的有效性。  最后,实验搭建的10kW实验样机平台上,通过实验研究,对本文提出的理论和控制策略进行了验证。
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