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多输入直流变换器电路拓扑及控制策略研究

作　者: 李艳
导　师: 阮新波
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 新能源联合供电系统多输入直流变换器交错双沿调制双移相控制能量管理
分类号: TM461
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 6次
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内容摘要

新能源的开发利用是解决能源危机及环境污染问题的有效措施,但新能源受到气候和天气条件限制,大多具有电力供应不稳定、不连续等缺点。将多种新能源联合起来组成新能源联合供电系统,利用各种新能源之间或新能源与其它能源之间的互补性,可得到较为稳定的电力输出。在该系统中,采用一个多输入直流变换器(Multiple-Input Converter,MIC)代替原有的多个单输入直流变换器,可以简化系统结构、降低系统成本。本文研究MIC的电路拓扑及控制策略。目前已有文献提出了一些MIC电路拓扑,也有文献提出了MIC电路拓扑的生成方法,但还不太完善。本文首先将MIC电路拓扑分为脉冲源单元和输出滤波器两部分,提出了一系列脉冲源单元,给出了MIC的生成规则,包括脉冲源之间的组合和嵌入规则以及脉冲源和输出滤波器的级联规则。在此基础上,推导出一系列MIC电路拓扑,包括同时供电和分时供电,非隔离型和隔离型。这些电路拓扑涵盖了以前文献所提出的各种MIC,并得到了一些新的MIC电路拓扑。本文还对部分隔离型MIC电路拓扑结构进行了合理简化,并给出了简化原则。本文以双输入Buck直流变换器为例,介绍非隔离型MIC的工作原理和输入输出特性。该变换器具有电路结构简单、两种输入源既可同时向负载供电,也可独立向负载供电等优点。针对该变换器,本文分析了两只开关管开关频率相同时,其驱动信号相位与电感电流脉动的关系,提出了一种交错双沿调制方法,采用该方法可以大大减小电感电流脉动。由于MIC与单输入变换器有所不同,本文还讨论了双输入Buck变换器的主电路参数设计,并完成了一台400 W的原理样机,验证了该变换器的工作原理,并且从电感电流纹波和变换器效率两个方面验证了交错双沿调制方法的有效性。本文以双输入全桥直流变换器为例,介绍隔离型MIC在双路源同时供电和单路源独立供电两种模式下的工作原理。该变换器采用双移相控制策略,可以实现开关管的零电压开关。本文讨论双输入全桥变换器的主电路参数设计,并研制了一台800 W的原理样机,对该电路的工作原理以及软开关实现情况进行了实验验证。为了实现可再生能源的优先利用,需要对新能源联合供电系统进行能量管理。本文提出了一种新的控制策略,使新能源联合供电系统可以工作在多种模式,从而使负载功率尽可能多地由可再生能源提供,剩余功率由其它供电电源提供;而且在单路源独立工作模式下,该系统工作于电压电流双闭环,提高了动态响应速度。在多种工作模式下,控制系统中的电压闭环和电流闭环的工作情况是不同的。本文结合双输入Buck变换器,建立了该变换器和控制系统的小信号数学模型,提出了一种闭环调节器的设计方法,即在单路源供电的模式下,设计两个闭环调节器,然后在双路源供电的模式下,验证所设计的调节器是否有效。该方法保证了各种模式下系统均能稳定工作,并且可在各种工作模式之间能够平滑切换。本文最后基于一台400W的双输入Buck变换器的原理样机进行了实验验证,结果表明该设计方法是有效的。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-15
第一章绪论  15-28
  1.1 能源现状  15
  1.2 新能源的利用  15-17
  1.3 新能源联合供电系统  17-19
    1.3.1 新能源联合供电系统的提出  17-18
    1.3.2 新能源联合供电系统的应用  18
    1.3.3 新能源联合供电系统的架构  18-19
  1.4 多输入直流变换器  19-26
    1.4.1 电路拓扑  20-23
    1.4.2 能量管理策略  23-24
    1.4.3 建模及闭环系统设计  24-26
  1.5 本文研究内容和意义  26-28
    1.5.1 研究内容  26-27
    1.5.2 研究意义  27-28
第二章多输入直流变换器电路拓扑的推导  28-53
  2.1 引言  28
  2.2 MIC 电路拓扑的基本结构  28-29
  2.3 MIC 电路拓扑的基本单元  29-34
    2.3.1 脉冲源单元  29-34
    2.3.2 输出滤波器  34
  2.4 MIC 电路拓扑的生成规则  34-37
    2.4.1 脉冲源单元之间的连接规则  34-37
    2.4.2 脉冲源单元和输出滤波器的级联规则  37
  2.5 MIC 电路拓扑的生成  37-50
    2.5.1 由组合规则生成的MIC 电路拓扑  37-47
    2.5.2 由嵌入规则生成的MIC 电路拓扑  47-50
  2.6 MIC 电路拓扑的简化  50-52
  2.7 本章小结  52-53
第三章双输入Buck 变换器及其交错双沿调制方法  53-78
  3.1 引言  53
  3.2 工作原理  53-55
  3.3 驱动信号相位差与电感电流脉动的关系  55-62
    3.3.1 D_(y1)+D_(y2)  55-58
    3.3.2 D_(y1)+D_(y2)≥1  58-62
  3.4 交错双沿调制方法  62-65
    3.4.1 交错双沿调制方式  62-63
    3.4.2 交错双沿调制方式的扩展  63-65
  3.5 双输入Buck 变换器主电路参数设计  65-70
    3.5.1 占空比与负载电流的关系  66
    3.5.2 功率管  66-68
    3.5.3 滤波电感  68-69
    3.5.4 滤波电容  69-70
  3.6 实验验证  70-77
    3.6.1 工作原理的验证  70-71
    3.6.2 交错双沿调制方式的验证  71-77
  3.7 本章小结  77-78
第四章双输入全桥变换器及其调制策略  78-101
  4.1 引言  78
  4.2 双输入全桥变换器的简化  78-80
  4.3 工作原理  80-88
    4.3.1 双路源同时供电  80-85
    4.3.2 单路源独立供电  85-88
  4.4 工作特性  88-90
    4.4.1 开关管的电压应力和电流应力  88-89
    4.4.2 开关管实现ZVS 的条件  89
    4.4.3 占空比丢失  89-90
    4.4.4 输入输出关系  90
  4.5 双输入全桥变换器的主电路参数设计  90-97
    4.5.1 占空比与负载电流的关系  91-92
    4.5.2 功率管  92
    4.5.3 高频变压器  92-94
    4.5.4 谐振电感  94-95
    4.5.5 滤波电感  95-97
    4.5.6 滤波电容  97
  4.6 实验验证  97-100
    4.6.1 工作原理的验证  97-98
    4.6.2 软开关情况的验证  98-100
  4.7 本章小结  100-101
第五章能量管理策略及闭环系统设计  101-117
  5.1 引言  101
  5.2 能量管理策略  101-103
    5.2.1 能量管理思想  101-102
    5.2.2 工作模式  102-103
  5.3 小信号电路模型  103-105
  5.4 双输入Buck 变换器系统的小信号数学模型  105-108
    5.4.1 双路源同时供电  106-108
    5.4.2 1#源独立供电  108
    5.4.3 2#源独立供电  108
  5.5 闭环调节器的设计  108-113
    5.5.1 电流调节器的设计  110-111
    5.5.2 电压调节器的设计  111-113
    5.5.3 工作模式I 中的验证  113
  5.6 实验验证  113-116
    5.6.1 能量管理策略的验证  113
    5.6.2 闭环设计的验证  113-116
  5.7 本章小结  116-117
第六章工作总结及展望  117-119
参考文献  119-126
致谢  126-128
在学期间的研究成果及发表的学术论文  128

多输入直流变换器电路拓扑及控制策略研究

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