开关电容型交错并联变流拓扑与逆变并联控制技术研究

摘要

电力电子技术是21世纪应用最广泛的技术之一。随着现代科技的迅猛发展，各行业对电力电子系统性能与可靠性要求等愈来愈高。高频化、模块化的电源产品由于其体积小、污染小以及易于维护与扩容，已成为目前的发展趋势。并联技术与交错控制技术的产生使原本单台低频大容量的变流器被多台并联输出的高频、小容量、模块化的电源取代成为可能。
　　 电力电子技术也是协助解决人类越发关注的能源短缺与环境污染问题必不可少的技术之一。新型可再生能源由于其绿色、安全、可再生的特点备受人们的关注。为实现和推广低电压输出的新能源的工业应用，科研人员对高增益DC/DC变流器及其后级的DC/AC逆变电路做了大量的研究。为实现变流器的功率扩容，交错并联DC/DC变流器以及逆变电源的并联冗余技术更是研究中的热点。
　　 本文首先在总结、归纳常规flyback与forward变流器的基础上，基于常规flyback变流器的电路结构与交错并联的控制方式，提出了在反激变压器的副边串联占空比控制直流电压源的思想，为扩展电路的电压增益与实现自动均流特性提出了一种新思路，并在此基础上提出了flyback变压器与开关电容相结合的flyback-forward概念，实现了一种隔离型的交错并联flyback-forward Boost变流器。该变流器通过反激变压器与开关电容的有机结合，充分利用了变压器的正激特性，降低了激磁电流，提高了磁芯的利用率，并通过开关电容的隔直特性实现了并联支路的自动均流。通过采用有源箝位软开关技术，实现了漏感能量的无损转移和开关管上关断电压尖峰的有效抑制。由于反激变压器的漏感对输出二极管关断电流的限制能力，有效抑制了输出二极管的反向恢复电流，减小了反向恢复损耗，提高了变流器的效率。为了进一步提高变流器的功率密度，本文还采用了单管箝位技术实现了漏感能量的吸收与无损转移。仿真与实验结果证明，隔离型的交错并联flyback-forward Boost变流器具有较高的工作效率。开关电容型flyback-forward概念的提出为隔离型交错并联DC/DC变流器的拓扑演绎提供了一种可实践的思路。
　　 其次，本文针对非隔离应用场合，在分析了常规交错并联boost变流器与耦合电感型交错并联boost变流器的基础上，通过采用所提出的占空比控制直流电压源的思路，提出了一种开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器。由于引入了耦合电感与开关电容的组合，电路的电压增益得到了进一步的拓展，同时降低了开关管的电压应力。开关电容的存在使耦合电感不仅工作在传统的储能一释放模式，同时利用了其正激变压器的特性，既充分利用了耦合电感的磁芯，又拓展了变换器的功率等级。由于开关电容的隔直特性，交错并联的两个支路实现了自动均流，简化了控制电路的设计，降低了生产成本。为了实现对开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器的闭环控制，本文采用基本建模法对其小信号模型进行了推导，并采用电压电流双环控制策略实现了闭环控制。仿真与实验结果证明了模型的正确性。
　　 随后，为进一步提高电路的可靠性，降低生产与设计成本，本文探讨了开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器的实现方法。首先在分析耦合电感型无源无损高增益boost变流器的基础上，通过采用所提出的占空比控制直流电压源的思路，提出了高增益无源无损交错并联Boost变流器。该变流器通过在电路结构上将箝位二极管交叉连接的方式，在利用箝位电容实现漏感能量的无损吸收的同时实现了两个支路的自动均流。在此基础上，为了进一步拓展电路的电压增益，通过一定的分析与拓扑变换，本文进一步提出了利用开关电容代替箝位电容的概念，并推导出了开关电容型高增益无源无损交错并联Boost变流器。该变流器在保留了高增益无源无损交错并联Boost变流器的所有优点的同时，既拓展了变流器的增益，又降低了开关管的电压应力。在此基础上，为了进一步提高耦合电感的磁芯利用率，本文采用前述的flyback-forward概念，通过添加两个二极管，保证了耦合电感与开关电容的正激电流通路，从而实现了开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器。由于正激工作模式的加入，耦合电感的激磁电流得到了有效降低，变流器的功率密度得到了进一步的提高。
　　 耦合电感/反激变压器与开关电容相结合的flyback-forward概念实现了从新型可再生能源的低输出电压到逆变电源标准母线电压的高增益提升。作为采用此概念实现的新型变流器拓扑的工业应用，论文的第五章对逆变电源多机并联系统的实现和优化进行了探讨和实践。在采用瞬时电流平均值均流模式的基础上，论文对逆变电源多机并联系统进行了建模与仿真实验研究。随后，本文通过对在线的逆变器进行编码的方式提出了自动主从式并联控制策略。该控制策略实现了主从机的自动切换，提高了系统的容错能力。针对隔离型逆变器的变压器直流偏磁问题，本文对比了电压型与电流型反馈补偿的优缺点，并提出了一种电压型补偿的反馈控制电路。该电路无需添加额外的辅助电源与控制环节，实现了变压器原边电压直流分量的采样与闭环补偿，具有一定的工业利用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

第1章绪论

1.1 引言

1.2 升压型变流器研究现状

1.2.1 磁耦升压电路的研究现状

1.2.2 开关电容升压电路的研究现状

1.2.3 综合采用磁耦与开关电容的升压技术

1.3 逆变电源并联均流技术研究现状

1.3.1 集中控制并联方案(Concentrated Control)

1.3.2 主从控制并联方案(Master-Slave Control)

1.3.3 分布式控制并联方案(Distributed Control)

1.3.4 无线并联控制方案(Wireless independent Control)

1.3.5 其他并联方案

1.4 论文的研究内容和研究成果

1.4.1 交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器

1.4.2 开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器的研究

1.4.3 开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器的研究

1.4.4 并联逆变器的控制设计

第2章交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器

2.1 交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器

2.1.1 Flyback变流器的特点

2.1.2 Forward变流器特点

2.1.3 隔离型交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器的构思

2.1.4 交错并联Flvback-Forward Boost组合变流器的静态特性分析

2.1.5 仿真与实验验证

2.2 有源箝位交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器

2.2.1 静态工作过程分析

2.2.2 特性分析与参数设计

2.2.3 仿真和实验验证

2.3 单管箝位交错并联Flyback-Forward Boost组合变流器

2.3.1 静态工作过程分析

2.3.2 电路性能分析

2.3.3 仿真和实验验证

2.4 本章小结

第3章开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器

3.1 开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器

3.1.1 开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器的推导

3.1.2 开关电容型交错并联非隔离Boost组合变流器的静态特性分析

3.1.3 仿真与实验结果验证

3.2 开关电容型有源箝位交错并联非隔离Boost组合变流器

3.2.1 静态工作过程分析

3.2.2 特性分析与参数设计

3.2.3 仿真和实验验证

3.3 交流小信号分析与控制系统设计

3.3.1 交流小信号分析

3.3.2 控制系统参数设计

3.3.3 实验结果分析

3.4 本章小结

第4章开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器

4.1 高增益无源无损交错并联Boost变流器

4.1.1 高增益无源无损交错并联Boost变流器的推导

4.1.2 静态工作过程分析

4.1.3 高增益无源无损交错并联Boost变流器的静态特性分析

4.1.4 仿真和实验验证

4.2 开关电容型高增益无源无损交错并联Boost变流器

4.2.1 开关电容型高增益无源无损交错并联Boost变流器的推导

4.2.2 静态工作过程分析

4.2.3 静态特性分析与参数设计

4.2.4 仿真和实验验证

4.3 开关电容型无源无损交错并联Boost组合变流器

4.4 本章小结

第5章并联逆变器的控制设计

5.1 引言

5.2 单台逆变器模型分析

5.2.1 输出滤波器分析与设计

5.2.2 电压电流双环控制分析与设计

5.3 逆变器抗磁偏技术

5.3.1 磁偏产生的原因与纠正措施

5.3.2 电压积分抗磁偏法

5.4 基于瞬时电流平均值均流模式的并联逆变器模型分析

5.4.1 单台逆变器均流模型分析

5.4.2 多台逆变器并联模型

5.4.3 平均值电流均流环设计

5.4.4 仿真与实验结果

5.5 基于竞争机制的自动主从式并联控制策略

5.6 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 今后的工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利