一种有源电容变换器的分析与设计

单相功率变换器由于交流侧与直流侧瞬时功率不平衡,其内部直流母线电容通常采用容值大的电解电容。而电解电容存在使用寿命短、热稳定性差等固有缺陷,影响变换器的使用寿命及可靠性。为此,该文设计一种有源电容变换器,通过控制其端口电压、电流满足电容元件的电压、电流微分关系,从而实现容值确定的有源电容来替代原来的电解电容,进而克服电解电容使用寿命短、热稳定性差的缺陷,延长单相功率变换器的使用寿命并提高了其热稳定性。本文首先介绍直流母线电容大小的计算方法,然后阐述有源电容变换器的工作原理及其参数定量设计的方法,最后利用仿真软件和样机进行相关仿真及实验验证,结果验证了理论分析和参数设计的正确性。     

单相全桥离网逆变器输出侧功率解耦电路研究

单相逆变器输入电流低频纹波抑制是燃料电池及光伏电池发电系统亟需解决的问题.本文深入研究单相全桥离网逆变器输出侧功率解耦电路拓扑及其输入电流低频纹波抑制策略,给出控制参数、关键电路参数设计准则和实验波形.该电路拓扑中有源功率解耦电路位于全桥逆变器输出侧,与全桥逆变器共用输出滤波电感与电容,通过在输出滤波电容上叠加直流电压和低频偶次谐波电压实现逆变器功率解耦,使逆变器输出侧低频脉动功率在输出滤波电容与负载之间传递,阻断其向直流侧传递的路径.理论和实验结果验证了这种方法的有效性和可行性.     

小母线电容电动汽车集成充电系统控制研究

研究了一种电动汽车电机驱动与车载充电集成系统的充电控制策略.该集成系统通过共用电机驱动和车载充电的功率变换电路,并将电机绕组用作充电电感,可减小电动汽车功率变换电路的空间占用和成本.此外,该集成系统直流母线采用小容值薄膜电容取代传统大电解电容,不仅可进一步减小系统体积,还可提高系统可靠性.该系统在充电状态下,电网侧变换器工作于二极管整流模式,母线呈现直流半波脉动电压.针对该工作特点,研究了基于Boost电路工作原理的电池侧双有源隔离型直流变换器正弦功率充电控制策略,在直流半波脉动母线电压条件下实现了电池有效充电,同时保证了电网电流具有良好的谐波性能和功率因数性能.最后通过实验样机对该控制策略的有效性进行了验证.     

无电解电容单相电力变换器直接脉动功率控制方法

在单相电力变换系统中,大容量电解电容常用于消除交流侧与直流侧瞬时功率不平衡所产生的直流侧二次纹波电流以及交流侧低次谐波引起的直流侧谐波电流。然而电解电容的使用会直接降低系统工作效率,缩短使用寿命,给单相电力变换系统带来不良影响。针对该问题,文中首先将直流侧谐波(由交流侧基波和谐波引起的直流侧谐波成分)抑制的本质归纳为脉动功率的减弱、转移和就地补偿,基于此分析提出将脉动功率控制在交流侧,通过控制交流侧串联交流电容瞬时功率直接就地补偿而不在直流侧补偿的直接脉动功率控制思路,并总结出适用于交流侧直接脉动功率控制的电路结构特征。基于该电路结构推导出补偿多次谐波引起的交流侧脉动功率的控制函数,提出适用于多模块串联结构的无电解电容单相电力变换器(整流和逆变)直接脉动功率控制策略。该方法在不增加硬件成本的条件下保证电能质量,同时在交流侧对脉动功率进行直接就地补偿,缩短了脉动功率流通路径,提高了系统的效率。通过实验验证了所提方法的有效性。     

一种对称半桥解耦电路控制方法及应用分析

针对两级式单相光伏并网逆变器交、直流侧功率不平衡问题,提出一种对称半桥拓扑的有源功率解耦电路控制方法,给出了解耦电路的参数计算过程及控制器设计方法,并进行了理论分析.搭建了采用薄膜电容的有源解耦电路、采用电解电容的有源解耦电路和全电解电容的无源解耦电路3种实验电路,从直流母线电容容量、解耦电路成本、体积和寿命等几个方面对其进行了应用对比.最后,结合户外光伏发电应用,给出1kW采用薄膜电容的光伏并网逆变电路的仿真与实验结果,验证了所提有源功率解耦控制策略的有效性.     

基于功率解耦的无桥PFC变换器

传统无桥功率因数校正(PFC)变换器为降低输出直流侧低频纹波,需连接大容量电解电容,不仅增加了变换器体积,还降低了其使用寿命及可靠性。因此,这里将对称半桥型有源功率解耦电路运用于双二极管式无桥PFC变换器,并提出了基于锁相环(PLL)的对称半桥型有源功率解耦电路控制方案。通过功率解耦可显著减小无桥PFC变换器直流侧所需电容量,提高变换器功率密度及使用寿命。通过引入基于二阶广义积分的单相锁相环(PLL),解决了对称半桥型有源功率解耦电路在输入电压频率波动情况下无法正常工作的问题。仿真及实验结果验证了电路及控制方案的正确性。     

基于双向接口变换器的混合微电网交直流母线电压统一控制策略

交直流混合微电网中,交流电压不平衡引起的接口变换器瞬时功率脉动以及单相交流负荷并入直流微电网导致的直流电压二倍频脉动,影响混合微电网正常运行。针对上述问题,建立了双向接口变换器ab坐标系下的数学模型,分析了不平衡工况下交流子网以及直流子网单相逆变负荷的二倍频功率传输特性,在此基础上,通过在双向接口变换器直流侧引入降压型波动功率补偿电路,详细设计了基于改进型双向接口变换器的交流不平衡电压及直流二倍频脉动电压统一控制策略。对补偿电路电容容量进行定量分析,使双向接口变换器可以在较小直流母线电容容量情况下,利用自身功率余量同时补偿交流不平衡电压与直流二倍频脉动电压,仿真证明了所提控制策略的有效性。     

高功率密度单相变换器的直流有源滤波器研究

单相变换器系统会产生二次脉动功率,使直流母线电压出现二次脉动,危害整个系统。一般采用在直流侧并联大电容或LC谐振电路的方法来抑制直流母线电压的二次脉动,但增加了系统的体积和重量,功率密度较低。为提高系统的功率密度,采用了一种能量双向流动的Buck有源滤波器来抑制直流母线电压的二次脉动。推导滤波器完全补偿脉动功率时电容电压和电流方程,并在此基础上针对高压大功率场合提出双闭环无差拍加重复的控制策略。无差拍控制可提高系统阻尼,重复控制可增加稳态精度。从脉动能量存储、控制带宽两方面讨论APF的参数设计。仿真和实验证明了所提方案能显著减小直流侧滤波电容,提高系统功率密度。     

基于逆变器交流侧的四开关功率解耦技术研究

针对两级式单相逆变器常用大容量电解电容来缓冲其固有的二倍频脉动功率，大大降低其耐用性和可靠性这一问题，本文在保证变换器稳定运行的前提下提出了一种四开关功率解耦电路，对降低逆变器电容总容值具有实际工程意义。分析讨论解耦电路的工作原理，通过对4种不同的工作模式进行分析，从而确定解耦主电路各个开关管开关时序。在此基础上，设计了相应的脉冲能量调制策略以实现瞬时能量的精准补偿，提升了四开关功率解耦电路的解耦性能，改善了两级式逆变器交直流侧波形质量。该方案逆变电路与功率解耦电路相互独立，有利于传统设备的改造。最后，搭建了仿真模型和实验样机，仿真和实验结果验证了增加交流侧四开关功率解耦电路后，变换器只需几十μF的薄膜电容就能对二倍频脉动功率进行有效解耦。     

面向二次脉动功率解耦的三端口LLC谐振变换器

为了吸收单相交直流系统中耦合的大量二次脉动功率,提出给予I3桥结构的三端口LLC谐振变换器。所提变换器实现双向解耦电路的开关桥臂和LLC谐振变换器的开关桥臂的集成,消除母线上的大容量电解电容、提高系统可靠性,而且减少有源开关的数量和系统的开关损耗。详细分析三端口LLC谐振变换器的工作原理和控制方法,设计I3桥的开关驱动策略,实现功率解耦端口和直流输出端口的独立控制。实验结果证明了所提集成功率解耦功能的三端口LLC变换器及其控制方法的正确性和有效性。     

功率解耦后三相-单相矩阵变换器的闭环控制策略

三相-单相矩阵变换器(3-1 MC)不含母线电容,单相脉动功率直接耦合到输入侧,导致三相输入电流谐波含量高、输入源容量要求大。因此,文章研究了含功率解耦电路的3-1 MC拓扑,该拓扑下单相脉动功率流入功率解耦电路并构成能量流通回路,根本上解决了脉动功率对输入侧的影响。但是,3-1 MC功率解耦拓扑中增加了功率开关,影响变换器的闭环设计。于是,文章利用开关器件平均模型法逐步简化3-1 MC功率解耦拓扑的数学模型,建立变换器dq轴坐标系下的小信号模型,结合小信号模型的特点和传递函数,提出一种虚拟直流母线电压反馈的闭环控制策略并研究控制参数设计方法。最后,实验结果表明该种闭环策略能有效控制3-1 MC功率解耦拓扑,具有良好的动静态特性。     

模块化多电平逆变器电容电压及环流控制

模块化多电平变换器作为逆变器时,一个重要特点是能够控制模块电容电压及环流。本文推导出了该变换器的一种单相状态方程,定性分析了环流及电容电压的谐波成分,证实了环流二次谐波呈负序分布,给出了三相状态方程在负序两倍基波频率dq0坐标系的方程,dq坐标系中的方程表达了环流谐波的特性,而零序方程则表达了电容平均电压及环流直流成分的特性。基于此,本文提出了环流谐波及直流成分的解耦控制策略,在dq坐标系中,对传统的控制策略进行改进,以有效抑制环流谐波,在零序坐标系中,实现对电容平均电压及环流直流成分的控制,不同坐标系中的控制,彼此互不影响。最后通过仿真及实验研究证明了文中的结论。     

无刷直流电机无电解电容控制系统研究

在单相交流电源供电的电机驱动系统中,逆变器的直流母线侧通常并联一个几百或几千微法的电解电容,使用大电解电容稳定了母线电压,然而电解电容存在着寿命短,可靠性低等缺点。因此,本文提出了一种应用于无刷直流电机驱动系统的新型无电解电容功率变换器,该电路实现了电网侧与电机侧的功率解耦,通过功率平衡原理,使得电机侧的功率趋于稳定,并且具有寿命长,电网侧电能质量高等优点。同时,针对无刷直流电机换相转矩脉动大的缺点,在电机侧通过移相控制信号对转矩脉动进行了有效的抑制。最后,分别通过仿真和实验,验证了该无电解电容变换器及其控制算法的有效性。     

基于准Z源有源功率解耦的改进调制策略

为了抑制直流侧存在的二倍工频(2ω)脉动,传统单相准Z源通常需要设计庞大的准Z源阻抗网络,针对此问题,研究一种基于准Z源的有源功率解耦方法来抑制其二倍工频脉动。首先,通过状态空间平均法建立了有源功率解耦型准Z源拓扑的工作模型,分析了不同工作状态对解耦电路元件参数选取的影响,据此提出一种改进的调制策略以减小解耦电路电感电流波动。其次,采用主电路双环控制和基于PR控制器的解耦电路控制实现二倍工频解耦。最后通过仿真验证了结论。结果表明:改进调制策略后能有效地降低准Z源阻抗网络和解耦电路电感电流波动,准确完成二倍工频功率解耦,且有效地降低了直流链电压的波动,提高了逆变器运行稳定性。     

单相级联H桥APF载波相移梯形波脉宽调制与电容电压平衡控制方法

针对电气化铁路谐波污染的电能质量问题,将载波相移梯形波脉宽调制CPS-TPWM(carrier phase-shifted trapezoidal wave pulse width modulation)策略引入到单相级联H桥多电平有源电力滤波器APF(active power filter)中,同时在单相级联多电平有源电力滤波器直流侧电容电压控制上采用内外层控制策略,以提高直流侧电压的均衡性和稳定性。结合数学分析,搭建3个单元模块的单相级联H桥多电平APF主电路和控制系统进行仿真验证。结果表明:所提方法能够有效抑制电气化铁路中的谐波电流,并且能提高各单元模块直流侧电容电压的稳定性和均衡性。     

基于网侧功率前馈的二倍频功率有源解耦控制

在单相脉宽调制(PWM)变流器中输入功率存在二倍频波动,会导致直流侧电压二倍频纹波含量较高,需要大容量电容进行滤波.设计了H桥结构的有源功率解耦电路来吸收二倍频功率波动,通过网侧电压电流可计算输入的二倍频功率波动,进而获得二倍频有源功率解耦电路中电感电流或电容电压指令,并利用单电感电流控制环或电容电压外环电感电流内环的双闭环控制方式实现二倍频功率的有源解耦控制.分析对比了有源功率解耦电路采用电感电流单闭环控制方式和电容电压双闭环控制方式的优缺点,指出双闭环控制方式具有稳定性强、响应速度快等优点,并通过Matlab/Simulink仿真和Typhoon HIL602实验平台验证了该控制策略的有效性.     

二倍频功率解耦的升降压型无桥PFC变换器EI北大核心CSCD

AC-DC变换器需加入有源功率因数校正(power factor correction,PFC)电路来减少网侧电流谐波。传统Boost型PFC电路因其升压特性而无法使输出电压宽范围变化。该文采用一种升降压型无桥PFC变换器,通过切换升压通路和降压通路实现电压宽范围输出。为进一步减少网侧电流谐波,采用变载波调制,通过改变升压载波和降压载波的分配比例使其随输出电压变化而变化,相比于定载波调制降低网侧电流总谐波失真值。针对单相PFC电路存在二倍频功率需在输出端并联大电解电容的问题,文章利用双向Buck-Boost电路进行功率解耦以吸收二倍频功率。最后,介绍升降压型无桥PFC变换器的工作原理和控制策略,实验结果验证了升降压型无桥PFC变换器及其控制方式的正确性和有效性。     

在单相高频整流器中抑制直流纹波电流的控制方法研究

在直流侧无电解电容的情况下,单相整流系统二倍交流频率脉动的输入瞬时功率会在输出直流端产生二倍频的纹波电流,危害直流侧的设备。在单相高频整流器中分裂交流滤波元件构成单相差分输入高频整流电路,本文针对此电路拓扑,通过对比控制电压、控制电流2种模式下的波形控制方法,分析2种模式下控制方法的优缺点,提出了一种最优的控制电压模式波形控制方法,该方法不仅能实现单位功率因数、抑制直流电流纹波,而且具有有效降低变换器内部的循环流动能量、不引入其他谐波等优点。本文对波形控制方法进行了详细的理论分析,并通过仿真验证了所提出控制策略的有效性。该方法可以推广至无电解电容电力变换相关的应用。     

一种基于交流侧功率解耦的无电解电容光伏逆变器研究

提出一种交流侧并联功率解耦电路的无电解电容光伏逆变器。该光伏逆变器主电路采用电压型H桥,功率解耦电路采用一种七开关双向变换器结构,并联在逆变器交流输出侧。H桥变换器采用电流滞环控制以实现交流并网,功率解耦电路采用基于脉冲能量的控制方式,即根据每个开关周期需要解耦的能量大小计算功率开关的占空比。功率解耦电路采用峰值电流控制,从而加大解耦电容上电压纹波,降低解耦电容器容值,以实现无电解电容的目的。分析了并联功率解耦电路的四个工作模式,讨论了解耦电感和电容的参数设计。建立了提出的无电解电容光伏逆变器的Matlab仿真模型以验证其有效性。仿真结果表明,提出的功率解耦电路解耦电容的容值降低到几十μF,可实现无电解电容器的光伏逆变器,从而延长光伏逆变器的使用寿命。     

微逆变器交流侧泛Buck-boost功率解耦技术研究

针对微逆变器二倍频功率扰动问题,提出了一种交流侧泛Buck-boost功率解耦技术。设计的四种能实现能量双向流动的解耦电路均并联在逆变器交流侧,不同拓扑都可等效工作在Buck、Boost或Buck-boost的模式中。从拓扑结构、工作模式及解耦性能三方面分析了设计的四个解耦电路,以及每种拓扑抑制二次谐波的能力。讨论了脉冲能量缓冲的计算方法。仿真结果表明,三模态六开关Buck-boost功率解耦电路抑制电压二次谐波效果最优,单模态六开关Buck-boost功率解耦电路抑制电流二次谐波效果最优。泛Buck-boost功率解耦技术可以在不依赖母线大电压情况下,大幅降低解耦电容容值,实现无电解电容,提高微逆变器可靠性并延长其使用寿命。