（电气工程专业论文）三端口双向直流变换器的控制策略的研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：少7 年钿日 导师 签字日 中图分类号：t m 4 6 u d c ：6 2 1 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 三端口双向直流变换器的控制策略的研究 t h es t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t h r e e - p o r tb i d i r e c t i o n a ld c - d c c o n v e n e r 作者姓名：支刚 导师姓名：郑琼林 学位类别：工学 学科专业：电气工程 。 。学号：。0 8 1 2 2 1 0 3 职称：教授 学位级别：硕士 研究方向：电力电子变换技术 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 一 致谢 本论文从选题、理论分析、系统方案的设计、实验问题的解决到论文的写作 过程，都是在我的导师郑琼林教授的悉心指导下完成的。从本科毕设到两年的研 究生学习生涯，导师在生活、学习和研究工作上都给了我极大的帮助和指导。导 师渊博深厚的学识、严谨求是的治学态度、平易近人的学者之风都使我耳濡目染， 如沐春风。回想自己两年的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使我受益终 身。在本课题的研究过程中，导师更是从各个方面给了我极大的帮助。两年来的 成长，浸透着导师的大量心血。值此论文完成之际，向导师表示深深的感谢与敬 意! 在论文的研究过程中，得到了实验室游小杰老师、郝瑞祥老师、张立伟老师、 孙湖老师、王琛琛老师、黄先进老师，以及电力电子研究所所有老师的悉心指导 和大力帮助，在此向他们表示衷心的感谢。感谢北京交通大学电气工程学院电力 电子研究所全体老师们，他们为研究所的全体研究生提供了良好的实验资源和科 研环境，为我研究生期间的学习和课题研究提供了充分的保障。 本文也是在实验室其他师兄弟的大力帮助下完成的。要特别感谢杨晓峰师兄 在理论分析、样机硬件设计、安装、调试和论文撰写过程中，以及贾鹏宇博士在 d s p 的学习和实验调试过程中对我的指导及帮助。感谢孙浩、黄尧、范文宝、王晓 鹏同学在研究过程中给予的大力支持和帮助。感谢电气工程学院所有老师两年来 给予我的关心和支持。 感谢父母对我的养育之恩，亲人的鼓励和关怀永远是我前进的动力，在此谨 以论文的完成感谢我的家人来对我二十多年来含辛茹苦的哺育和培养。 感谢北京交通大学六年来对我的教育，我以交大为荣! 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙之中对本文进行审阅、指点。 最后，再次感谢所有在我成长过程中关心、爱护过我的人们。 。r j，1 中文摘要 中文摘要 随着电网不平衡负荷的不断增加以及各种用电设备对电能质量要求的不断提 高，电网的负序电流平衡问题显得越来越重要。基于三端口双向直流变换器可以 实现各端口之间有功能量自由传输的特点，本文研究了其在三相电网负序电流平 衡上的一种新型应用方法及其控制策略。 该方法以三端口双向直流变换器为核心，实现了三相电网之间的负序有功能 量交换与电气隔离，避免了工频变压器的使用，克服了传统负序电流平衡方法的 缺点，能有效解决三相供电系统负载不平衡带来的负序电流问题，改善三相电网 的平衡度。 本文详细分析了三端口双向直流变换器及其负序电流平衡应用的工作原理， 推导了基于三端口双向直流变换器的负序平衡系统( 以下简称负序平衡系统) 容 量与负载功率之间的关系，提出了三端口双向直流变换器及负序平衡系统的控制 策略，推导了三端口双向直流变换器的控制策略的数学模型，并设计完成一台 2 2 0 v 2 k w 的实验样机。通过m a t l a b s i m u l i n k 软件仿真验证了本文提出的三端口双 向直流变换器及负序平衡系统控制策略的有效性，以及负序平衡方法的可行性。 通过样机实验，进一步验证了三端口双向直流变换器的控制策略的有效性。根据 实验结果，分析了负序平衡系统中高频隔离变压器参数对三端口双向直流变换器 及负序平衡系统工作的重要影响，为负序平衡系统的整机调试与进一步研究提供 了重要依据。 关键词：三端口双向直流变换器；控制策略；负序平衡；功率传输；数学模型 分类号：t m 4 6 _ l a b s t r a c t 一一 a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ei n c r e a s i n go fi m b a l a n c el o a da n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to f p o w e rq u a l i t yf o rp o w e re q u i p m e n t s ，n e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n tb a l a n c i n g l sb e c o m i n g m o r e 吼dm o r es e r i o u s t h i st h e s i sp r o p o s e dan e wn e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n tb a l a n c i n g m e t l l o db a s e do nt h r e e p o r tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra sw e l la s i t sc o n t r o l s t r a t e g y t h em e t h o dc a l la c h i e v ea c t i v ep o w e re x c h a n g i n ga m o n gt h r e e - p h a s ep o w e r 酣d t oi m p r o v et h ep r o b l e mo ft h r e e p h a s ei m b a l a n c ee f f e c t i v e l yt h r o u g ht h et h r e e - p o r t b i d i r e c t i o nd c d cc o n v e r t e r t h et h r e e p o r tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rp l a y s a ne s s e n t i a lr o l ei na c h i e v i n gp o w e re x c h a n g i n ga n dg a l v a n i ci s o l a t i o na m o n gt h e t h r e e p h a s ep o w e r 酣d t h ep r o b l e mo ft h r e e p h a s ei m b a l a n c ep h e n o m e n o nc a nb e e f f e c t i v e l yi m p r o v e dt h r o u g ht h et h r e e - p o r tb i d i r e c t i o nd c d c c o n v e r t e r t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，s y s t e mc a p a c i t y , a n dr e l a t i o no fe n e r g yt r a n s f e ra m o n g t h e t h r e e - p o r tb i d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e rh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l t h ec o n t r o l s t r a t e g i e so ft h r e e p o r tb i d i r e c t i o n a ld c - d c c o n v e r t e ra sw e l la sn e g a t i v e - s e q u e n c e c u r i e n tb a l a n c i n gs y s t e mw e r ep r o p o s e d i nt h i s p a p e r a tt h e s a m et i m e ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o ls t r a t e g yw r i t sd e r i v e d a2 2 0 v 2 k wp r o t o t y p ew a s d e s i g n e d a n dc o n s t r u c t e da n dt e s e d m e a n w h i l e ，t h ei m p o r t a n t i n f l u e n c et o n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n tb a l a n c i n gs y s t e mo ft h eh i g hf r e q u e n c yi s o l a t i o n t r a n s f o r m e r p 砸锄n e t e r sw a sa n a l y s i sa c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，w h i c hp r o v i d e da n i m p o r t a n tb a s i sf o rs y s t e mo v e r a l ld e b u g g i n g a n di m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：t h r e e p o r t b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ；c o n t r o ls t r a t e g y ；n e g a t i v e s e q u e n c eb a l a n c i n g ；p o w e rt r a n s m i s s i o n ；m a t h e m a t i c a lm o d e l c i a s s n o ：t m 4 6 v ， _ 1 目录 目录 中文摘要i i i a 】j ；s t r a c t v 1 绪论1 1 1三端口双向直流变换器的研究现状1 1 2电力系统负序电流问题及负序平衡研究现状。4 1 3选题的意义及研究内容一5 2三端口双向直流变换器基本原理一7 2 1基本工作原理7 2 2功率传输关系。9 2 2 1 两端口双向直流变换器功率传输关系9 2 2 2 三端口双向直流变换器功率传输关系1 4 2 3本章小结。16 3三端口双向直流变换器的负序平衡应用1 7 3 1负序平衡应用原理l7 3 2全桥功率单元工作原理1 9 3 2 1 工作原理1 9 3 2 2 负序电流提取方案。2 4 3 2 3 控制策略2 7 3 3系统容量分析2 7 3 4控制策略研究3 0 3 4 1 三端口双向直流变换器控制策略3 0 3 4 2 负序平衡系统控制策略3 5 3 5本章小结3 7 4仿真分析3 9 4 1m a t l a b s i m u l i n k 仿真技术概述3 9 4 2三端口双向直流变换器控制仿真4 0 4 3负序平衡系统仿真4 2 4 4本章小结4 4 5实验样机设计4 5 5 1样机整体结构4 5 5 2交流电感设计4 5 北京交通犬学硕十学位论文 5 3直流储能电容设计4 7 5 4半桥均压电容4 8 5 5i g b t 与吸收电容4 9 5 5 1l g b t 选取4 9 5 5 2 吸收电容选取一4 9 5 6变压器漏感4 9 5 6 1 满足系统功率传输5 0 5 6 2 满足主电路额定电流5 0 5 7检测电路设计51 5 7 1 电压检测电路5 2 5 7 2 电流检测电路5 4 5 8控制系统软件设计5 5 5 8 1 控制系统5 5 5 8 2 软件设计5 5 5 9实验分析6 0 5 9 1 两端口实验分析6 2 5 9 2 三端口实验分析6 5 5 1 0本章小结6 8 6总结与展望6 9 6 1本文结论6 9 6 2进一步研究方向7 0 参考文献一7 1 作者简历7 5 独创性声明。7 7 学位论文数据集7 9 绪论 1 绪论 1 1 三端口双向直流变换器的研究现状 双向直流变换器( b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ) 是指在保持变换器两端的 直流电压极性不变的前提下，根据要求改变电流的方向，从而实现能量的双向流 动的直流变换器【l 】，其结构示意图如图1 1 所示。 + 仉 p 一 双向直流变换器 p 仉 0 ，i r 、o ) + 仉 - 图1 - 1双向直流变换器结构不意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f b i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e a e r 早在2 0 实际8 0 年代初，美国学者就成功将双向直流变换器应用于人造卫星 的太阳能电源系统【l 】。随后，双向直流变换器在电动车辆、应急和备用电源中得到 广泛应用，其应用领域不断扩展。实际上，双向直流变换器是随着太阳能电源、 风力发电、燃料电池等新型电源和化学能源、超级电容为代表的电能存储设备的 发展而发展起来的，并将随着这类无污染电源的广泛应用而得到更加广泛的应用 和发展。 当今世界，环境和能源问题已经成为世界各国关注的热点。近年来，随着环 境污染和能源危机的日益严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构、 探索新能源、发展可再生能源等措施，以实现能源的可持续利用与和谐发展。在 各种新能源与可再生能源迅速发展的影响下，电源系统正朝着燃料电池、光伏发 电及风力发电等新型能源综合应用的混合能源领域发展。多端口双向直流变换器 由于具有多输入、多输出，能量双向流动的特点，适应多样化输入能源的电源系 统，已经成为混合能源多电源转换系统的一项应用技术，近年来获得了部分学者 的关注和研究。 根据目前多端口双向直流变换器拓扑的研究情况，其构成的基本拓扑单元主 要包括b u c k b o o s t 拓扑、组合式升压半桥、电压型半桥和电压型全桥，如图1 2 所示，其开关管为i g b t 或者m o s f e t 等全控型开关器件。根据变换器各端口的 北京交通人学硕七学位论文 连接方式，多端口双向直流变换器分为隔离型和非隔离型。非隔离型多端口双向 直流变换器各端口的基本拓扑单元通过公共直流母线连接在一起，其能量通过公 共直流母线进行汇聚和交换，最具代表性的拓扑为图1 - 2 ( a ) 中所示的b u c k b o o s t 双向直流变换器。由于通过公共的直流母线交换能量，非隔离型多端口双向直流 变换器各端口的直流侧电压变化范围小，不适用于具有多种电压等级应用场合的 多电源系统，其应用受到一定限制【2 1 。与非隔离型多端口双向直流变换器相比，隔 离型多端口双向直流变换器各端口通过多绕组高频隔离变压器进行耦合，实现了 各端口电源之间的电气隔离，如图1 - 2 ( b ) 、( c ) 、( d ) 所示。其各端口可以根据变压 器原副边变比实现多种电压等级以及较大电压变化范围的电源与负载的连接，如 燃料电池、蓄电池、超级电容及光伏电源等。 三端口双向直流变换器作为多端口双向直流变换器的一个重要分支，近年来 在不间断电源系统( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs y s t e m ，u p s ) 、光伏发电、风力发电以 及燃料电池为代表新能源领域得到了一定应用。关于三端口双向直流变换器的研 究，目前国内外公开发表的文献还不是很多。大体可以分为两类p 】：一类通过一个 三绕组变压器连接三个端口，即隔离变压器耦合型，如图1 3 a 所示；另一类通过 一个两绕组变压器和公共直流母线来连接三个端口，即隔离变压器与直流母线连 接型，如图1 3 b 所示。 三端口双向直流变换器在u p s 、混合能源系统的应用已经获得了国内外部分 学者的关注和研鳅2 h 2 4 1 。文献 3 提出并研究了一种由三个全桥单元与三绕组高频 隔离变压器组成的三端口双向直流变换器拓扑在三端口u p s 上的应用。文献【4 】提 出并研究了一种基于三相全桥单元的三端口三相双向直流变换器拓扑在三相大功 率储能和电动汽车上的应用。文献 8 【1 2 】 1 3 1 4 】分别研究了由升压半桥单元和全 桥单元构成的三端口双向直流变换器拓扑在由燃料电池、蓄电池组成的多电源系 统上的应用。在诸学者关于三端口双向直流变换器在u p s 、混合能源系统上的应 用研究中，三端口双向直流变换器起到了将风力发电、光伏发电系统、储能装置 与负载结合起来，实现各种能源的优势互补，稳定输出电压、功率，抑制电源过 流冲击、提高供电可靠性的重要作用。 根据文献 2 】 2 l 】，隔离型三端口双向直流变换器具有以下特点： 1 、通过控制各桥臂开关管驱动脉冲移相角，能实现变换器各端口之间有功能 量的自由传输。 2 、通过高频变压器实现了各端口之间的电气隔离与能量交换。 3 、有效利用隔离变压器漏感作为各端口之间的能量传输元件。 4 、体积小，损耗少，能量处理效率高。 与b u c k b o o s t 拓扑、组合式升压半桥相比，电压型半桥及全桥单元组成的三 2 绪论 端口双向直流变换器对端口电压等级的适应程度更高，其利用隔离变压器的漏感 作为各端口之间的能量传输元件，在高频方波脉冲控制下，每个半桥全桥端口在 对应变压器的绕组上产生一个高频方波脉冲电压，通过控制方波脉冲电压之间移 相角的大小和方向，即控制各半桥全桥桥臂的驱动脉冲移相角，即可控制各端口 之间能量传输的大小和方向【2 】【7 】。 + ( a ) b u c k b o o s t 拓扑单元 s o u ( b ) 电压型全桥 ( c ) 升压半桥 ( d ) 电压型半桥 图1 - 2 多端口双向直流变换器拓扑组成单元 f i g 1 2t o p o l o g yu n i t so f m u l t i - p o r tb i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r + + ，j y r y 弋一 ： ia c d c ，。 i i ( a ) 隔离变压器耦合型 a c d c + ( b ) 隔离变压器耦合与直流母线连接型 图卜3 三端口双向直流变换器结构图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h r e e - p o r tb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r 北京交通大学硕士学位论文 1 2 电力系统负序电流问题及负序平衡研究现状 在我国的牵引供电系统中，由于采用单相工频交流供电，并且牵引负荷具有 非线性、不对称和移动性，在实现电力牵引的过程中，将破坏电力系统对称运行 的条件，产生大量负序和高次谐波电流注入电网，影响供电电能质量，对电力系 统及用户造成一系列危掣2 5 】，主要表现为： ( 1 ) 降低电源设备的利用率。由于大部分电源设备都是按照三相对称负荷工 况设计的，当电流不平衡时，系统允许负载容量按最大相电流限制，系统容量无 法得到充分利用。 ( 2 ) 引起电机发热。当负序电流通过发电机时，将在电枢绕组中形成以两倍 同步速度于转子运动的合成磁场，在转子磁极表面感应两倍额定工频的交变电流， 引起附加发热和局部高温。同时，负序磁场对正序磁场以及转子励磁磁场之间有 相对运动，相互作用会产生两倍工频的交变转矩，并引起振动和噪音。 ( 3 ) 危害用电设备特别是异步电动机的安全运行。负序电流通过负序网络阻 抗会形成负序电压，破坏三相电压的对称性，危害用电设备安全运行。同时，负 序电压会使异步电动机产生反向转矩，使主轴遭受扭矩剪力作用，增大损耗、降 低效率。 +。 ( 4 ) 造成继电保护装置误动作。电力系统不少继电保护装置都是利用电网故 障产生的负序分量来判断故障的，不平衡负载产生的负序电流将使这些保护装置 发生误动作，影响电力系统的稳定运行。 另外，负序电流还会造成电力变压器使用寿命缩短、降低输电线路送电能力、 干扰通信等【2 5 】【2 6 1 。 目前电气化铁道( 简称电铁) 谐波治理技术已经趋于成熟，负序的治理方面 仍存在很多问题【2 6 】。为抑制电铁的负序电流，铁路部门采用了牵引变压器轮流换 相的办法，但由于电铁牵引负荷具有较大的随机性，这种办法并不能使三相负荷 得到理想的平衡【2 7 1 。而且，该办法只有当多个牵引变电站引自同一电源时，才能 取得较好的平衡效果。但出于经济上的原因，牵引变电站一般就近从供电系统取 得电源。所以，在目前的技术经济条件下，采用牵引变压器轮流换相还不能有效 治理电铁的负序电流【2 7 】。另外，电铁上也采用特殊变压器抑制负序电流，如斯科 特变压器( s c o t t ) 、斯坦麦兹变压器( s t d n m c t z ) 等，通过这类变压器的变换，从电 网侧看，电铁单相负载将变为三相负载，从而解决单相负载不平衡问题，但这种 方式只有当负载功率与所设计的变压器额定功率相等时，才具有良好的平衡效果。 采用静止补偿装置和有源电力滤波器与各种接线变压器相结合是目前比较有 效和普遍的负序电流平衡方法【2 8 】。【3 0 】。但由于受到器件耐压等级的限制，平衡装置 4 绪论 需要通过工频变压器接入电网，增加了平衡装置的体积、损耗和运行成本。传统 的级联多电平电路通过级联方式能提高应用电压等级，但由于电路拓扑本身的限 制，无法实现相间负序有功能量的交换，这在一定程度上限制了其应用。 随着电气化铁路的不断发展，其负序电流对电力系统的影响必将越来越大。 截止2 0 0 9 年底，我国铁路营业里程达到8 6 万公里，跃居世界第二。目前，在建 新线规模达到3 3 万公里，投资规模达到2 1 万亿元。到2 0 1 2 年，中国铁路营业 里程将达到1 l 万公里，电气化率、复线率将达到5 0 ，以“四纵四横”高速铁路 为骨架的高速铁路里程达到1 3 万公里。根据综合交通网中长期发展规划，到 2 0 2 0 年，中国铁路营业里程将达到1 2 万公里以上，其中电气化铁路比重将达到 6 0 【3 1 1 。因而，电铁负序电流问题将更加突出，寻求有效的负序电流平衡措施是 非常必要的。 1 3 选题的意义及研究内容 近年来，随着我国国民经济的快速发展，工业、国防以及人民日常生活对铁 路运输提出了更高的要求，电气化铁路得到了前所未有的发展，建设和运营不断 跃上新的台阶。电气化铁路高速发展带来的负序电流问题对电能质量的影响也必 将越来越大。同时，在我国的现代化建设进程中，低压配电网的非线性：冲击性 和不平衡负荷不断增多，负序电流问题愈加突出，致使电网的电能质量受到严重 影响。另一方面，现代工业、商业和居民用户对电能质量提出了更高的要求，不 仅要求供电连续可靠，还要求供电电压频率稳定、波形良好。尤其是i t 产业的迅 猛发展使得社会生活更加依赖数字化设备所提供的信息与服务，而数字化的设备 对供电的质量要求更高。可见，电力系统的负序电流问题与工业、国防以及人民 同常生活对电能质量的要求形成了鲜明的矛盾。现有的比较有效的负序电流平衡 方法由于电路拓扑本身的限制，不能实现电网各相之问的负序有功能量的交换， 或者由于受器件耐压限制，需要使用工频变压器接入电网，增加了平衡装置的体 积、成本和损耗，影响了负序电流平衡效果。 由于隔离型三端口双向直流变换器可以实现各端口之间的有功能量交换和电 气隔离，在高频下工作时，体积小、损耗少、能量处理效率高，本文提出了隔离 型三端口对称半桥双向直流变换器( 以下简称三端口双向直流变换器) 在三相电 网负序平衡上的一种新型应用方法及其控制策略。该方法以三端口双向直流变换 器为核心，实现了三相电网之问负序有功能量的交换与电气隔离，克服了传统负 序平衡方法中不能实现三相电网之间负序有功能量交换的问题。且该方法的电路 拓扑可以通过模块化级联提高系统应用电压等级，克服器件耐压限制，避免了传 5 北京交通人学硕士学位论文 统负序平衡方法中工频变压器的使用，减小了体积、损耗，降低了成本。研究三 端口双向直流变换器负序平衡应用的控制策略，对于推进三端口双向直流变换器 负序平衡应用的工业化，进一步解决电网负序电流问题，提高供电电能质量，是 十分迫切和非常必要的，具有广阔的应用前景和现实意义。 本文将基于三端口双向直流变换器在三相电网负序平衡上的新型应用方法， 重点研究三端口双向直流变换器的负序平衡应用控制策略。本论文的主要研究内 容包括以下几个方面： ( 1 ) 分析三端口双向直流变换器及其负序平衡应用的工作原理，研究三端口 双向直流变换器的等效模型，以及能量传输、负序平衡系统容量的数学关系。 ( 2 ) 研究三端口双向直流变换器及其负序平衡系统的控制策略，推导三端口 双向直流变换器控制策略的数学模型。 ( 3 ) 设计m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型，仿真验证三端口双向直流变换器控制策 略的有效性及其负序平衡应用的可行性。 ( 4 ) 设计实验样机与软件，实验验证三端口双向直流变换器控制策略的有效 性，分析实验结果，为下一步的研究工作提供依据、积累经验。 本文第二部分将对三端口双向直流变换器的工作原理、等效模型、功率传输 关系进行分析。第三部分将分析负序平衡系统及其电路功能单元全桥功率单 元的工作原理，推导系统容量与负载功率的数学关系，提出并重点分析三端口双 向直流变换器及负序平衡系统的控制策略。第四部分通过建立m a t l a b s i m u l i n k 仿真 模型，对三端口双向直流变换器及负序平衡系统的控制策略进行仿真分析。第五 部分为负序平衡系统实验样机主电路参数、检测电路、软件控制流程设计及实验 结果分析。 6 三端口双向直流变换器t 作原理 2 三端口双向直流变换器基本原理 2 1 基本工作原理 根据1 1 中的分析介绍，三端口双向直流变换器分为隔离型和非隔离型。非隔 型三端口双向直流变换器各端口的直流侧电压变化范围小，不适合具有多种电压 等级应用场合的多电源系统，且由于各端口电源之间不存在电气隔离，其应用受 到一定限制。隔离型三端口双向直流变换器各端口通过高频隔离变压器进行耦合， 实现了各端口电源之间的电气隔离，可以连接多种电压等级以及较大电压变化范 围的电源与负载，应用范围广。在隔离型三端口双向直流变换器中，以半桥和全 桥单元组成的三端口双向直流变换器对端口电压等级的适应程度更高，其利用隔 离变压器漏感作为各端口之间的能量传输元件，通过控制每个半桥全桥桥臂驱动 脉冲的移相角，即可控制变换器各端口之间能量的自由传输。 由于半桥结构开关数量少，电压均衡能力强，驱动电路和控制简单，根据三 相电网的特点，本文提出了基于隔离型对称半桥三端口双向直流变换器的负序电 流平衡方法，其电路拓扑如图2 1 所示。 电路由三个对称半桥和高频隔离变压器t 构成。在三相电网负序电流平衡应 用中，t 变比n i ：”l ：n 3 = l ：1 ：1 ，l 补l s b 、l 为t 各绕组的等效漏感，且鞠屯。b 屯辩， s l s 6 为i g b t 开关管，c l c 6 为变换器各端口均压电容，且满足电容值a = c 2 = = 6 6 。 c t2 2 k ， c 2 = = o 、 酩 o ，多。b 驴，能量从u 。流向u b ，u 。流向u e ，u e 流向。此时，u 。作为电源， u b 作为负载。其他移相角情况下的能量流动如图2 - 4 所示，图中箭头方向代表能量 流动方向。 图2 - 2 高频隔离变压器等效电路 f i g 2 2d e l t a - e q u i v a l e n tc i r c u i tf o rh i 曲一f r e q u e n c yi s o l a t i o nt r a n s f o r m e r l g 21 冈。 、l _ 1 阳i g 4 1 冈。 1 冈一1 冈。 图2 3 三端口舣向直流变换器控制脉冲时序 f i g 2 - 3s e q u e n c eo fc o n t r o lp u l s e s 三端口双向商流变换器一r 作原理 ( d ) ( e ) ( f ) 图2 - 4 变换器能量流动示意图 f i g 2 _ 4s c h e m a t i co fp o w e rf l o wa m o n g t h r e ep o r t s 2 2 功率传输关系 。+ 2 2 1 两端口双向直流变换器功率传输关系 为了得到三端口双向直流变换器各端口之间的功率传输关系，先对较简单的情 况两端口双向直流变换器的功率传输关系进行推导。两端口双向直流变换器 电路拓扑如图2 5 所示，高频隔离变压器t 的变比n = i ，l 鼢、l s b 为t 原副边的等 效漏感，且三照吒s b 。s l s 4 为i g b t ，c l c 4 为均压电容，且c l - - - c 2 ，c 3 = c 4 。对图 2 5 所示的电路拓扑，将副边以原边为参考折算后的等效电路如图2 - 6 所示。图中， 如是原边电流，功、v 4 是折算到原边的副边电容电压。由于变换器工作过程以变压 器漏感作为能量传递元件，因此在进行电路简化分析时，可用漏感代替变压器， 变压器原副边漏感折算到原边后的值用l 。代替。 9 北京交通人学硕十学位论文 c l = s 1 杉k = _ j 1 o + l ：p ： r c 27 = j 辛 s ， _ j 图2 - 5 两端口双向直流变换器拓扑 f i g 2 - 5t o p o l o g yo ft w o - p o r tb i - d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r 。c l = s 1 i 一气妥 _ 1c 3 盘 型= 上玢 v l 上 = j 卜 l。 j 一，_ y 、m 士v p 7 v 。7 v ，lc 圣= j 7 - k c 竺= v4 。审 j s 4s ， 图2 6 两端口烈向变换器以原边为参考的等效电路 f i g 2 6e q u i v a l e n tc i r c u i to ft h et w o - p o r tb i d i r e c t i o n a l c o n v e r t e rr e f e r e dt ot h ep r i m a r y 图2 7 两端口双向直流变换器控制脉冲时序 ， f i g 2 - 7c o n t r o ls e q u e n c eo ft w o - p o r tb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r l o 三端口双向直流变换器t 作原理 lz 靠 - v 1 v 2 v 3 咖 。v 4 7l 。 f 1 。 ii ii i l 图2 - 8 以原边为参考的电感两侧电压电流波形 f i g 2 - 8v o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r m so f l sr e f e r e dt ot h ep r i m a r y 对两端口双向直流变换器采用方波脉冲移相控制策略，移相脉冲时序如图2 7 所示，以原边为参考的电感两侧电压电流波形如图2 8 所示。根据图2 8 ，变换器 有四种工作模态i ，对应的开关状态如表2 - 1 所示。 表2 - 1 两端口双向直流变换器开关状态与工作模态对照表 t a b l e 2 1s w i t c hm o d ea n dw o r ks t a t u so ft w o p o r tb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r 当控制脉冲占空比d 取0 5 时，每一个模态下对应的变压器原边电流易可表 示为： 和2 l p l = ( ，l + k ) 秒应虹+ f | 口( o ) 0 乡矽 v 2v 3 ) ( 02 万乏 0 篆7 - 矽( 2 - 1 ) p 3 = ( 一 一 一万) 缈t + f _ p ( 万) 万s + 矽 、1 4 = ( 一v 2 + 心) ( 秒一万一矽) 改以+ f 口( 万+ ) 万+ 矽 目 2 x 其中0 = ( a t ，缈为变换器工作角频率。一个周期内变压器的讵负半周的伏秒值 应平衡，即初始条件应满足以下边界条件： 北京交通大学硕七学位论文 一 勰裂= 协2 ， 【( ) = 一( 万+ 矽) 、二7 由公式( 2 1 ) ( 2 2 ) 可得： ( 矽) = ( u + v 4 ) 4 缈l s + f p ( 0 ) ) = ( h v 3 ) ( 万一) c o l s + ( ) ( 2 3 ) + ) = ( 一v 2 一v 3 ) # c o l s + f p ( 万) 根据公式( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ，可得 枞啦酉v 3 - - v ! ( 叫) 一蛩矽 i p ( f k ) = 蛩矽+ 瓦v 3 - - v 1 ( 叫) ( 2 - 4 ) ( 万) = 一( o ) i p ( z ：+ 矽) = 一( 矽) 根据功率定义，一个周期内变换器所传输的功率只b ( 表示端口a 向端口b 传 输的功率) 可表示为： 匕= 毕 其中v p 为分段函数： = 也竺三二 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 隧乡 协7 ， 可得 分智矾= 篱吧圪 协8 ) 式中，厂为变换器工作频率，令号 = 。，可得当= 万2 时，输出功率最大： 1 2 仿协 p p f“=、 三端口双向直流变换器下作原理 匕m 缸= n v a v t , ( 3 2 以) ( 2 9 ) 考虑到移相角超前和滞后的情况，则功率传输关系可以表示为： 尸= 丝掣吧圪( 2 - 1 0 ) 8 x 2t z , 49 令 尸= 警 协 当变换器两端1 ：3 电压圪、3 2 作频率 变压器漏感厶一定时，p ，为确定值， 即式( 2 1 0 ) 可表示为 p = p 7 譬 22 ，= 旦坐( 1 ) 根据式( 2 1 2 ) ，一x 2 痧x 2 时尸p 与移相角, k h r 之间的关系如图2 9 a 所 示，此时传输功率与移相角的关系以图中矽= 0 为奇对称。0 矽万时p p 与移相 角c k x 之间的关系如图2 9 b 所示，此时传输功率与移相角的关系以图中= x 2 为 偶对称。由图2 9 a 、b 可知，当移相角训= x 2 时，功率传输最大，所以变换器工 作时的实际移相角范围取为一r t 2 痧x 2 。砂为负值时，功率为负值，表示功 率反向传输。 - 0 暑i 雾 、i ：一一一o 0 3 ( a ) - n 2 西n 2 6 北京交通人学硕士学位论文 ( b ) 0 矽万 图2 - 9 功率传输与移相角关系曲线 f i g 2 9r e l a t i o n so fp o w e rt r a n s m i s s i o nv s p h a s es h i f ta n g l e 2 2 2 三端口双向直流变换器功率传输关系 三端1 2 1 双向直流变换器的高频隔离变压器三角形等效模型如图2 - 2 所示。根据 图2 - 1 所示电路拓扑，高频隔离变压器t 各绕组的等效漏感l s a = l s b = l ，根据星 三角电路原理，可得高频隔离变压器各绕组之间的等效漏感s a b 、三s a b 、上蚴分别为 ，：垡吐掣出：3 k(213)lsab r o m 、。 k ：垡吐竽d 垃：3 匕 ( 2 1 4 ) “s k r j “s n 、。 t ：垡吐掣d 选：3 l ( 2 1 5 ) 根据两端口双向直流变换器能量传输关系的推导，可知三端口双向直流变换 器各端e l 之间的能量传输与移相角大小、方向和变压器漏感相关，且可用公式 ( 2 1 6 ) ( 2 1 8 ) 表达。 p a - p a t , + p a 。等+ 错 协 1 4 三端口双向直流变换器丁作原理 忍= 吃+ 气= 竺瞥+ 重杰生二丝薹苎产c 2 一7 ， e = 圪+ 吃= 受瞥+ 垦色堕二皇二冬产c 2 一8 ， 式中f 为变换器工作频率，以、u b 、阢分别为变换器每个端1 3 的直流电压， 三s a b 、s a b 、鼢分别为高频隔离变压器各绕组之间的等效漏感。p x 表示端口x 的输 出功率，尸匆表示端口x 向端口y 传输的功率，妒。y 表示变换器x 端口与变换器y 端口之间的控制脉冲移相角( x ，y = a ，b ，c ) 。 令 匕= 等_ = 尝 协 即 只吨毯掣“毪掣( 2 - 2 0 ) 当变换器三端e l 电压游仉= 玩，变压器漏感鞠b = 互鼢b = 五鼢，且工作频率厂一定 时，p a b 、氏为相等的确定值，令p a b 爿) a c = p a ，则0 7 时p a 只与移相角咖a b 、 西之间的三维关系曲线如图2 1 0 所示，可以看出，当矽a b = 咖。= n ：2 时，只取得 最3 v 值。根据对称性，三端口双向直流变换器任意两端口之间的移相角范围为 一n 2 丸n