关键词： 变换器   高增益   倍压单元  

摘要： 非隔离型高增益软开关DC/DC变换器广泛应用于清洁能源发电系统。所提变换器基于准Z源网络,集成了三绕组耦合电感和倍压单元技术,开关管与电容组成了有源箝位,实现了漏感能量回收;通过对元器件参数和死区时间的配置,所有开关管实现了零电压开关(ZVS),二极管都实现了零电压零电流开关(ZVZCS),提升了变换器的效率。此处详细分析了所提变换器的工作模态、稳态特性下元器件的电压、电流应力。在实验室搭建一台200 W功率、380 V输出电压的实验样机验证了所提变换器的可行性。

关键词： 并联谐振直流环节   辅助电路   调制策略   电流应力   导通损耗  

摘要： 针对新型并联谐振直流环节软开关逆变器的辅助电路运行过程中电流应力高、导通损耗大的问题,提出一种基于不连续的脉冲宽度调制且采用斜率正负交替锯齿载波的改进调制策略。与原调制策略相比,首先,该文所提调制策略在保留辅助电路动作频率最小化优点的基础上,不仅实现了全部开关管的软开关,而且将第二辅助开关管的电流应力降为谐振电流峰值。然后,通过合理的参数设计,进一步降低辅助电路电流应力,从而减少辅助电路损耗。然后,根据所提调制策略分析工作原理、对比不同文献、规划参数设计、进行损耗分析。最后,使用SiC MOSFET制作一台5 kW/40 kHz通用样机,通过实验验证所提调制策略对原拓扑效率提升与电流应力降低的有效性。

关键词： 软开关   准Z源   倍压单元   耦合电感   PID控制  

摘要： 随着“碳中和”理念的不断重视以及科学技术的飞速迭代,能源的消费结构正发生巨变,工业及生活中对于电能的需求将会不断提升。由于直流微电网系统相对于传统电网来说具有安全可靠、系统兼容性强、直流电能传输损耗小的优势,正逐渐成为解决能源转型和可持续发展的重要手段之一。为了加强对直流微电网系统中输入侧低压能源模块的使用,设计出高增益、高效率的DC-DC转换器是其中关键的一环。 在总结归纳一些学者提出的高性能DC-DC变换器设计方案的基础上,比较各类技术的优势,推演出一种融合准Z源网络、耦合电感、倍压单元结构的高升压DC-DC变换器。所提出的变换器具有输入电流连续、输入输出共地、电路钳位设计、开关器件应力低以及升压能力强的特点。该变换器对三绕组耦合电感的匝比以及开关管的占空比进行共同调节,使该变换器具有高灵活度的升压范围。该变换器将准Z源网络中输入侧二极管替换为辅助开关管,并在开关管的控制中添加死区时间,利用主开关管和辅助开关管上缓冲电容在死区时间内的完全充放电,使该变换器上开关管和二极管实现软开关的功能,减小了器件的开关损耗,提高了该变换器的效率及电磁兼容性。 首先,运用级联类比的方法,对所研究变换器的设计方案展开推演,得出了一类基于准Z源网络下的高增益、软开关DC-DC变换器,并选择一款具有代表性的变换器进行研究设计。接着,对该变换器进行稳态性能分析,包括工作原理、软开关条件、升压性能、元器件应力、电路损耗等方面的推导,并与一些相同类型的变换器进行增益能力、效率、开关器件上应力的理论对比。其次,对该变换器的动态性能进行讨论,通过输出扰动量及占空比扰动量的动态模型建立后,设计了适用于本系统的经典PID控制及非线性PID控制器,并在仿真中验证该系统的动态响应和抗扰动性能。最后,根据理论分析结果对所提变换器进行参数设计,制做出实物样机,分别对所提变换器进行开环、闭环状态下的硬件实验测试,并且,设计了等功率、等升压比的6种参考文献中的变换器样机以及所提变换器硬开关状态样机,和所提变换器进行性能的实验对比,验证了所提变换器设计的可行性以及性能的优越性。

关键词： 三电平拓扑   储能接口变换器   双极性直流微电网   稳定性分析  

摘要： 在国家能源“十四五规划”及“双碳”战略的背景下,直流微电网因具备稳定、节能、高效等特性而快速发展,储能接口变换器作为微网中必不可少的电力电子装置,对变换器的可靠性、经济性、灵活性等提出了要求。以上述性能为目标,通过对比分析多种DC-DC变换器,以三电平四开关变换器为对象进行深入研究。该变换器将四开关与三电平拓扑进行结合,兼备了三电平变换器电压应用等级高、输出纹波低及滤波电路元器件体积小的优势和四开关变换器增益范围大、拓扑对称、能量可以相互流动的优势。重点从以下几个方面展开了研究: (1)分析了三电平四开关储能变换器在降压、升压、升降压三种模式下的工作原理,得到了各模式下增益、电流纹波等计算公式。针对双载波层叠双模式增益无法平滑改变和双载波层叠三模式控制算法复杂的不足,采用单载波三模式调制策略有效降低了控制的复杂度,并可实现三种模式的平滑过渡。将三电平四开关变换器与传统的两电平四开关变换器拓扑进行了对比,进一步突出了三电平四开关变换器输出电平状态多、电压应力小、电流纹波小等优势,解决了传统四开关变换器无法应用于大功率场合、双极性微网的难题。通过建立实验平台,验证了上述调制策略的有效性。 (2)为了充分利用三电平四开关变换器的中点电流调节能力,有效地进行储能电池SOC(state of charge,SOC)均衡以及正负母线功率平衡,研究了不同工作模式下储能侧和母线侧功率调节的边界条件。针对不平衡情况,采用了一种稳定有效的控制策略来保证中点电位的平衡,在一定的范围内可实现正负母线的功率平衡和储能侧的SOC均衡,并通过实验验证了该策略的有效性。 (3)为了保证系统稳定运行并拥有良好性能,通过建立三电平四开关变换器的开环和闭环的小信号模型,对双闭环PI控制器的参数进行了设计,通过仿真和实验验证了该参数下变换器可以稳定运行并拥有较好的动态性能。由于直流微电网中恒功率负荷占比很大,为了进一步分析验证变换器控制策略及参数设计是否合理,以带恒功率负荷的三电平四开关变换器为例来评估其工作稳定性,利用阻抗比法得到了控制器参数、母线电容、负荷功率对变换器稳定性的影响规律。

关键词： DC-DC变换器   有源滤波器   开关纹波   功率密度  

摘要： 直流-直流(DC-DC)变换器可以实现直流电压调节,被广泛应用于各种直流供电场景,包括通讯设备、工业自动化、储能和电动汽车充电等,且正朝着高精度、高效和高功率密度方向发展。传统直流变换器通常采用基于电感和电容的无源滤波器实现开关谐波抑制和输出性能优化,但是会影响其功率密度进一步提升。为此,本文针对直流变换器输出侧电压和电流开关纹波提出一种通用的有源滤波方案(Voltage Ripple Active Filter,VRAF),并针对该方案进行系统性研究,实现直流变换器的功率密度和控制性能提升。主要工作总结如下: 首先,针对DC-DC变换器输出侧开关纹波的形成机理,本文分析了多种DCDC变换器的开关纹波产生特性,根据噪声源的位置分别对隔离型和非隔离型DCDC变换器进行建模,并对降压型Buck变换器和双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)变换器两种代表电路的工作原理进行分析,推导出各自的输出侧开关纹波公式。然后,本文对有源滤波器常规的两种结构和四种实现方式进行了深入分析,分别推导了开关纹波与有源滤波器增益和DC-DC变换器的阻抗与不同方案的有源滤波器的关系式,确定了有源滤波器的初步方案。 其次,对有源滤波器的工作原理进行深入分析,确定各个环节关键参数的关系,确保获得最佳的纹波消除效果。为使加入有源滤波器后系统可以正常运行,本文对其稳定性进行了分析,推导出重要参数的取值集合,并给出了有源滤波器各环节的参数设计方法。通过对每个功能环节进行器件选型和仿真验证,完成了有源滤波器的硬件电路设计。此外,本文还对有源滤波器进行频域建模以评估其滤波性能,并对其损耗进行分析。 最后,本文以Buck变换器为例,搭建了含有源滤波器的仿真模型和实验平台,并在多种工况下进行了验证。实验结果表明,本文设计的有源滤波器在400W范围内最大可抑制其74.4%的输出侧开关纹波,且在输出电压跳变时依然具有良好的动态抑制效果。同时进行对照组实验,在达到相同纹波抑制效果的情况下:加入该有源滤波器后Buck电路所需电感的感值可降低67%,重量降低86.2%,体积降低85.7%,系统的动态响应时间可降低64.1%;相较于通过提升工作频率来降低开关纹波,该有源滤波器效率始终高至少4%。验证了有源滤波器方案的可行性和优越性。

关键词： 数据中心供电   谐振开关电容变换器   单级多频变换器   负载等效建模   Ⅱ型多层陶瓷电容特性  

摘要： 随着数字经济的飞速发展及全社会数据量的激增,数据中心作为关键基础设施的战略地位日益凸显,但也正面临着因高耗能问题所产生的重大挑战,提升数据中心供电系统的效率已刻不容缓。开关电容变换器具有高功率密度、高效率和高增益等优点,适合应用于数据中心48 V母线架构负载点供电电源。然而现有谐振开关电容变换器普遍存在输出无法连续调节、功率密度未达预期、建模方法不准确及电容器容值不稳定的问题,导致其应用受到限制。为了解决以上问题,本文提出一种输出连续可调的模块化开关电容拓扑,研究了开关电容拓扑中的容值稳定性问题,并据此提出一种单级多频谐振开关电容拓扑,最后研究了多模块并联和串联的开关电容拓扑调制策略。 开关电容拓扑的输出增益无法连续调节。针对这一问题,本文提出了一种输出电压连续可调的模块化开关电容拓扑。通过利用输入侧串并联开关电容拓扑的自均压特性,将谐振开关电容模块与调压模块进行有机结合,构建连续可调拓扑,并为拓扑的模块化扩展提供理论基础。通过开关复用最小化拓扑中所用的开关数量,提升变换器的功率密度,开关电容部分的全部开关器件均实现了零电流软开关,提升拓扑的效率。根据负载的需求,调节接入拓扑中谐振开关电容模块和调压模块的数量分配,覆盖负载的输出增益范围,并使用单闭环控制,保证拓扑的实用性。通过制作的实验样机验证了理论分析的正确性。 围绕所提出的模块化开关电容拓扑,针对开关电容变换器中广泛使用的II型多层陶瓷电容器容值稳定性不强的问题,分析了多层陶瓷电容器受不同工作条件影响的因素,定量分析了II型陶瓷电容器受直流偏压的影响程度。提出了两种方法解决其在不同情况下的容值不稳定问题。当直流偏压在小范围内变化,通过电容器的拟合模型预测,得到准确的容值变化数据,据此调节变换器的工作频率。当直流偏压变化范围大,通过增加补偿结构注入高次交流电压,使谐振电容退极化,增强容值稳定性,减少对谐振频率的影响。两种方法可结合使用实现最佳效果,保证软开关的可靠实现和变换器稳定运行,提高开关电容拓扑的功率密度和适用性。 混合开关电容拓扑需要调节频率以实现软开关,但频繁调整工作频率,会影响变换器的动态响应性能,增大控制器的设计难度。为解决上述问题,提出了一种多频单级混合开关电容拓扑。通过中间谐振电容将高频谐振开关电容部分和低频调压部分结合,保证各模块的工作模态互不影响。提出了单级多频拓扑结构的等效模型,为其控制系统的设计提供理论依据,实现高频谐振开关电容部分和低频降压部分控制上的解耦。通过原理样机对比测试了拓扑在12 V输出和5 V输出的实验结果,验证了所提拓扑具有较高效率。 为解决所提出拓扑中谐振开关电容模块增益固定的问题,研究了多模块开关电容变换器的调制策略。提出一种部分谐振的输出调制方法,通过控制开关电容模块的开关频率及占空比,控制谐振回路由全谐振转为部分谐振状态,调减开关电容内存储能量值,实现输出增益的调制。提出一种负载等效法,得到串联结构每一级的等效负载公式和对应增益关系,为求解多级模块串联的精确增益关系提供理论支撑。该策略拓宽了开关电容模块的连续输出调节能力,为开关电容变换器应对负载的宽范围变化提供可能。搭建实验平台,并通过并联和串联多模块实验验证了调制策略的可行性。

关键词： 励磁系统   全国产化   励磁调节器   直流开关   HN-i6200  

摘要： 大型火电机组励磁系统进行国产化替代,要打破技术壁垒,从信息系统、控制系统和电子器件等多方面实现突破。首先,对现代励磁技术的控制与指令子系统、通信子系统、整流子系统及灭磁子系统等关键技术进行了系统地总结归纳,针对各技术所涉及的研究现状、存在问题及难点进行了分析与概述;其次,叙述了大型超临界670 MW火电机组HN-i6200励磁系统的国产化替代历程,对于火电机组励磁系统运行的特殊要求,开展针对性设计,研制高可靠性的国产直流开关,并通过试验研究攻克火电机组励磁系统的运行策略,成功研制出全国产化HN-i6200型励磁系统。现场测试与系统建模验证了全国产化励磁系统工作性能,为电力工业励磁技术的国产化提供了技术与实践参考。

关键词： 柔性直流电网   直流断路器   电弧电压   自然换流  

摘要： 混合式直流断路器(hybrid DC circuit breaker,HDCCB)是解决直流开断最有前景的方案之一。但基于电力电子的负载换流开关(load commutation switch,LCS)在主通流支路上的导通损耗和成本较高,阻碍了HDCCB的应用。该文提出一种基于真空开关与气体开关串联的复合开关自然换流型混合式直流断路器,其利用气体开关的高弧压特性驱动自然换流,利用真空开关的快介质恢复特性承担暂态恢复电压,具有损耗低、换流可靠、体积紧凑、成本低等特点。该文分析气体机械开关的电弧电压特性,详细研究分闸速度、燃弧电流、气体类型和磁场、气体压强等不同因素对气体机械开关弧压的影响规律,并提出气体机械开关的设计方法。在此基础上,研制10kV复合开关自然换流型直流断路器原理样机,并进行开断测试,开断电流可达15kA,有效验证了该自然换流方法的可行性。