【摘 要】
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双有源桥型单级式AC-DC变换器具有宽电压/功率变换范围、高功率密度、高效率、长寿命等显著优势,在交流并网型储能系统中极具应用前景。目前对此类变换器的研究尚处于起步阶段,存在变换器内部环流大、工作效率有待进一步提高和网侧电流谐波含量较大等问题,制约了其实际应用。因此,开展相应的调制与控制策略等方面的研究工作,对完善其理论与技术体系、推进其在交流并网型储能系统中的实用化进程具有重要的科学意义和实用价
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“模块化单级式高频隔离型双向升降压谐振式AC-DC功率变换技术研究（编号:51877050）”；
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双有源桥型单级式AC-DC变换器具有宽电压/功率变换范围、高功率密度、高效率、长寿命等显著优势,在交流并网型储能系统中极具应用前景。目前对此类变换器的研究尚处于起步阶段,存在变换器内部环流大、工作效率有待进一步提高和网侧电流谐波含量较大等问题,制约了其实际应用。因此,开展相应的调制与控制策略等方面的研究工作,对完善其理论与技术体系、推进其在交流并网型储能系统中的实用化进程具有重要的科学意义和实用价值。本文以双有源桥型单相准单级式及三相单级式AC-DC变换器为研究对象,对其优化调制策略、系统模型建立以及高性能网侧电流闭环控制策略等方面进行深入研究,以显著提升其工作效率和并网质量。首先,针对单相准单级式拓扑在经典单移相调制策略下的变换器交流侧传输电流畸变较大和变换器内部环流问题,通过分析其电流特性,指出产生上述问题的本质原因在于相邻开关周期变压器电流存在耦合,从而导致电流控制误差和波形畸变。为此,本文提出一种优化三移相调制策略。为消除变换器交流侧传输电流控制误差和内部环流,以上述分析结果为基础,获得了保证相邻开关周期变压器电流解耦的三个移相角之间的约束关系。借助于三移相调制策略的三自由度特性,引入变压器电流有效值最小作为优化条件,以获得各移相角之间的确切关系。进一步分析死区对所提出优化调制策略的影响,并提出相应的死区补偿方法。详细的仿真和实验结果表明,所提出优化调制策略及其死区补偿方法实现了变换器交流侧传输电流的精确控制,进而显著降低了网侧电流总谐波畸变率,消除了变换器内部环流,有效提高了系统工作效率。为了实现单相准单级式拓扑网侧电流的优良闭环控制性能和抑制电网电压低次谐波的影响,对其闭环控制策略进行深入研究。以所提出的优化三移相调制策略为基础,采用状态空间平均法建立变换器的数学模型。依据所建立数学模型,分析指出由于网侧LC滤波器的存在,在保证变换器交流侧传输电流为理想正弦波形时,单相电网电压低次谐波仍然会导致网侧电流谐波。进而提出比例谐振复合奇模式重复控制的网侧电流闭环控制策略,通过比例谐振控制器实现对网侧电流基波分量的无静差闭环控制,通过奇模式重复控制器消除由电网电压谐波引起的网侧电流奇次谐波。并对其工作原理、参数约束条件以及频域特性进行了详细分析。所提出的网侧电流闭环控制策略通过详细的实验结果进行了验证。针对三相单级式拓扑传统电流空间矢量脉宽调制结合单移相调制策略存在的变换器交流侧传输电流畸变问题,开展新型调制策略的研究。分析并揭示了传统调制策略产生电流畸变的本质原因在于,由于变换器交流侧传输电流由两个电流空间矢量作用时间和外移相角共同决定,导致无法获得各控制变量关于交流侧传输电流给定值的解析解,所采用的控制变量近似计算方法导致变换器交流侧传输电流存在控制误差。在建立三相单级式拓扑与双有源桥（Dual Active Bridge,DAB）DC-DC变换器等效关系的基础上,提出双开关周期解耦空间矢量移相调制策略,在每个控制周期内为两个等效DAB变换器分别设置独立的开关周期,用于有效电流空间矢量的独立精确控制。进一步分析指出双开关周期解耦调制策略的等开关周期分配方法使系统最大传输功率受到限制,降低了系统额定容量利用率。为提升系统最大传输功率,提出一种开关周期动态分配方法,并给出了动态分配原则。相应的实验结果表明,所提出调制策略实现了变换器交流侧传输电流的精确控制,从而显著降低了网侧电流总谐波畸变率,并有效提升了系统最大传输功率。为实现三相单级式拓扑网侧电流的优良闭环控制性能并抑制三相电网电压不平衡和低次谐波的影响,对其闭环控制策略进行深入研究。首先建立所提出变开关周期调制策略下变换器的状态空间平均模型。基于所建立的数学模型,分析并揭示了三相电网电压不平衡和低次谐波同样会造成三相网侧电流不平衡,并产生相同频次的谐波。为实现三相网侧基波电流的无静差控制同时抑制三相电网电压不平衡和低次谐波的影响,并考虑三相电网电压的谐波特点,提出一种两相静止坐标系下比例谐振复合降维重复控制的网侧电流闭环控制策略。详细的实验结果表明,所提出网侧电流闭环控制策略实现了较好的动静态控制性能,并有效抑制了电网电压不平衡和低次谐波的影响。
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