直流变压器和电压平衡器研究

摘要

近几年来，随着新能源技术、功率器件和控制技术的发展，基于直流电网分布式发电、供电系统逐渐成为人们研究的热点。直流系统研究通常包括：直流电网的拓扑结构、直流电网电压控制、接口变换器以及新能源发电技术等几个方面内容。本文针对接口变换器中直流变压器和电压平衡器两种功率变换器展开研究。
　　本文第一章简要地回顾了直流电网研究和发展过程，简单介绍了直流电网特点和几种常见的构架以及有关功率变换器，并引出本文研究内容—直流变压器和电压平衡器。
　　第二章首先以单向非谐振全桥直流变压器为研究对象，研究工作原理、分析软开关条件、推导了输入输出电压关系，揭示了输出电压与变压器匝比、负载电流、变压器漏感、死区以及开关频率等因素之间的内在关系，并指出为了获得较好的外特性，要尽量减少变压器漏感，同时也要保证软开关对漏感的要求。
　　为了使直流变压器能够应用在较高电压场合，研究了以两只单向非谐振全桥直流变压器构成的输入串联输出并联（ISOP）直流变压器。根据稳态时模块输入电流平均值相等原则，推导出影响模块输入不均压的主要因素，指出模块不均压与占空比、变压器漏感、开关频率、变压器匝比以及负载电流之间的内在关系，并对此进行了详细地分析。同时，借助仿真手段对输入电容不同和启动时间不一致对输入不均压的影响进行了分析。最后，进行了原理性和实验验证。结果表明：在模块参数标称值一致的情况下，能够获得较好的均压效果，采用共用驱动信号可以避免模块不同时启动过程中造成的不均压问题。
　　第三章研究了两电平半桥电压平衡器和三电平半桥电压平衡器。首先根据两电平半桥电压平衡器的拓扑结构，采用了输入电压二分之一作为参考值的控制方法，详细分析了在这种控制方法下的工作原理和内部主要电压电流关系，揭示了电压、电流以及它们之间的内在关系，并指出不平衡负载相差较小时，电感电流中含有引起能量回馈的无功电流。为了给参数设计提供参考，根据平均建模法建立其小信号模型，指出它与Buck变换器小信号模型类似，所以可以参考Buck变换器参数设计方法设计参数。随后，为了使半桥电压平衡器能够应用在电压较高的场合，提出了二极管钳位三电平半桥电压平衡器拓扑。为了让桥臂中每只开关管实现三电平状态，又提出了开关管提前开通、滞后关断的控制策略。该控制策略采用带死区的互补驱动技术，利用提前开通、滞后关断时间内的电感电流续流状态，实现了开关管三电平状态。文中详细分析在此控制策略下三电平半桥电压平衡器工作原理和电压电流关系，揭示了电压、电流以及它们之间的内在关系，并指出不平衡负载相差较小时，电感电流中也含有引起能量回馈的无功电流。最后，进行了原理性仿真和实验验证。结果表明，两电平半桥电压平衡器拓扑、三电平半桥电压平衡器拓扑和控制策略是正确可行的。
　　第四章研究了两电平双Buck半桥电压平衡器和三电平双Buck半桥电压平衡器。针对第三章半桥电压平衡器的桥臂中开关管潜在的直通问题和电感电流中含有引起能量回馈的无功电流问题，提出了双Buck半桥电压平衡器拓扑和控制策略。双Buck半桥电压平衡器由两个Buck桥臂电路组成，利用两个桥臂之间串联的两个电感避免了开关管潜在的直通问题，提高了电压平衡器的可靠性；采取两个Buck电路独立控制的策略，避免出现不平衡负载相差较小时，电感电流中引起能量回馈的无功电流。
　　首先，提出两电平双Buck半桥电压平衡器拓扑及控制策略。该策略能够自动根据不平衡负载情况，分别控制每个Buck电路独立工作，从而避免了不平衡负载相差较小时的能量回馈问题。文中详细地分析基于该控制策略下的两电平双Buck半桥电压平衡器工作原理和电压电流关系，揭示了电压、电流以及它们之间的内在关系。采用平均建模法建立其小信号模型，揭示了该控制策略的内在联系，并为参数设计提供参考。随后，提出二极管钳位三电平双Buck半桥电压平衡器拓扑和三电平双Buck半桥电压平衡器控制策略。此控制策略不但能实现了三电平Buck电路独立工作和开关管三电平状态，而且还能避免不平衡负载相差较小时的能量回馈问题。文中详细分析了基于该控制策略下的三电平双Buck半桥电压平衡器工作原理和电压电流关系，揭示了电压、电流以及它们之间的内在关系。最后，进行了原理性仿真和实验验证。结果表明，双Buck半桥电压平衡器拓扑结构和控制策略是正确可行的。

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注释表

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究意义与内容

第二章 直流变压器

2.1 单向非谐振全桥直流变压器

2.2 输入串联输出并联直流变压器

2.3 本章小结

第三章 半桥电压平衡器

3.1 两电平半桥电压平衡器拓扑结构

3.2 三电平半桥电压平衡器

3.3 本章小结

第四章 双Buck半桥电压平衡器

4.1 两电平双Buck半桥电压平衡器

4.2 三电平双Buck半桥电压平衡器

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 今后工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文