用直接功率转换改善单级PFC AC/DC变换器性能

深入地分析了现有的应用直接功率转换(DPT)技术的单级PFC AC／DC变换器,阐明了它们的直接功率转换的原理和实现方法。分析表明,应用DPT技术不仅有效地降低单级PFC AC／DC变换器直流母线电压,而且较大程度地提高了效率,使其在小功率的应用中具有更大的前景。     

一种高功率因数低母线电压单级LLC AC/DC变换器

传统单级Boost型LLC谐振AC/DC变换器因具有转换级数少、功率因数高和软开关等优点而受到广泛研究,但同时它存在直流母线电压太高以及开关器件应力太大等缺点,一般应用于110 V以下的电网中。为克服该问题,提出了一种适用于220 V电网的新型Buck-Boost LLC谐振AC/DC变换器。该变换器除了具有传统结构的特点外,还具备输入电压较高时母线电压不高的优点,采用脉冲频率调制PFM（pulse frequency modulation）方式进行控制。分析了变换器的工作过程,阐述了功率因数校正和软开关的实现机理,给出了变换器主电路关键参数设计方法。最后,搭建了一台170 V~230 V输入、48 V /100 W输出的实验样机,实验结果验证了变换器理论分析的正确性以及该拓扑结构的电网适用性。     

准单级功率变换的高效单相三端口功率因数校正变换器

由于Boost型功率因数校正(PFC)变换器输出电压必须高于交流电压峰值,因此当负载电压较低时,其需要级联直流/直流(DC/DC)变换器,不利于系统效率提高。以优化PFC变换器随电网电压变化的瞬时效率、进而提升整体效率为目标,研究了一种单相三端口PFC变换器。通过将传统三电平Boost变换器的低压侧分压电容直接用作负载输出端口,并构造出一个高压端口,可以实现交流输入侧和直流负载侧之间的准单级功率变换,有效减小了系统中功率变换的级数,从而实现PFC变换器整体效率的提升。此外,准单级功率变换的特性还有利于减小后级DC/DC变换器的电压电流应力和功率损耗,进一步提高交流/直流(AC/DC)变换器的整体效率。文中详细分析了三端口PFC变换器的工作原理和控制策略,建立了损耗分析模型并进行了仿真验证。最后,利用2kW实验样机验证了所研究变换器在改善系统效率方面的有效性。     

一种改进型单级功率因数校正电路的设计

分析了改进型单级功率因数校正（PFC）电路的电压应力、电流应力,并采用Psim仿真软件对电路进行仿真,给出了样机试验数据表及仿真曲线图。结果表明,断续导电模式下的PFC与DC／DC的单级PFC电路比较适用于小功率AC／DC变换器,且可以得到很好的性能,具有良好的经济效益。     

一种单级高频AC/AC变换器

在LCD背光源、隧道照明等大功率LED照明领域,LED驱动电源需实现功率因数校正、输入输出隔离、多路恒流输出功能。为此,该文提出一种包括高频AC/AC变换模块和高频AC/DC变换模块的模块化多路输出LED驱动电源,并主要研究一种输出为高频正弦交流电压的单级高频AC/AC变换器,其内部包括功率因数校正和高频DC/AC变换两个功率变换单元。首先对单级AC/AC变换器的拓扑进行推演,然后分析其工作原理及性能特点。由于功率因数校正单元的工作原理及性能特点在以前的文献中有详细介绍,该文主要描述高频DC/AC变换单元的工作原理,并采用基波分析法对其性能进行分析。最后搭建一台输出功率为100W的单级高频AC/AC变换器实验样机,实验结果表明:在额定输入输出条件下,功率因数达到0.94,直流母线电容电压在全输入输出范围内最高为440V,满足实际应用需求。     

具有电压负反馈绕组的新型反激式单级功率因数校正变换器

提出一种具有电压负反馈绕组的新型反激式单级PFC变换拓扑。电压负反馈绕组的引入能够抑制中间储能电容电压,减小开关管的电压电流应力,解决了DCM PFC+ CCM DC/DC模式下轻载时,中间电容电压过高的问题,并且一部分输入功率将通过负反馈绕组直接传向负载,提高了变换器的效率。通过对电路工作模态和稳态的分析,可以得出该变换拓扑不仅具有较好的功率因数校正能力,还具有开关管电压应力低、效率高等优点。实验结果证明了该变换拓扑的优越性。     

基于脉冲宽度调制控制策略的零电流开关高功率因数AC/DC变换器

目前，对单级功率因素校正电路的研究大多集中在小功率应用领域，为此该文提出一种能够应用于中大功率场合、实现了零电流开关的单级高功率因数AC／DC变换器拓扑。通过在全桥变换器中增加辅助开关实现了PWM控制，它不仅能够在很宽的负载范围内实现零电流开关和功率因数校正，而且解决了全桥谐振电路中。在不采用移相控制的情况下，必须采用PWM控制策略的问题。与2级式功率因数校正电路相比，提高了动态响应的速度、降低了成本，并且开关管的电压应力较低。仿真和实验分析验证了变换器的优越性。     

两级式光伏发电系统低电压穿越控制策略研究

随着中功率两级式光伏逆变器在大中型发电系统中的大规模应用,基于两级式光伏逆变器的低电压穿越控制技术得到越来越多的研究。与单级式光伏逆变器相比,两级式光伏逆变器存在前级DC/DC变换器和后级DC/AC逆变器,控制更复杂,低电压穿越难度更大。文中首先进行了系统建模,然后提出了一种基于控制模式无缝切换的低电压穿越控制策略,DC/DC变换器在稳态时作为MPPT控制器进行最大功率点跟踪,DC/AC逆变器作为恒压源稳定直流母线电压。在低电压穿越时,DC/DC变换器以恒直流母线电压方式运行,DC/AC变换器以有功无功模式运行。此方法可以解决低电压穿越过程中有功不匹配而导致的直流母线过压的问题。最后,通过在一台40k W的两级式光伏并网逆变器样机上进行实验,验证了理论分析的正确性及可行性。     

高输入电压三电平零电压软开关DC/DC变换电路

分析了三电平DC／DC变换电路的工作原理,输入直流线电压通过电压电容分压,功率开关承受的电压仅为母线电压的一半,采用移相控制,可实现零电压开通,给出了1kW的实验结果,半载时效率为95％。     

交直流混合微电网直流母线电压稳定控制技术

交直流混合微电网的直流母线电压的稳定控制对整个交直流混合微电网系统十分重要。针对交直流混合微电网中直流母线电压控制方式,提出一种实用、高效的交直流混合微电网直流母线电压自主偏差控制方法。在并网模式下,采用具有空闲模式下的直流母线电压下垂稳定控制方法,通过AC/DC变换器实现直流母线电压的稳定控制,避免了AC/DC变换器的频繁充放电操作;离网模式下,直流母线电压的稳定控制由接储能侧的DC/DC变换器控制。为了保证系统离网模式下可靠运行,直流母线侧可以接多路DC/DC储能类蓄电池,通过自主稳定控制既提高了分布式能源的利用率,又提高了空闲模式下电力电子设备的使用寿命。经试验验证,该方法具有很好的控制效果,为交直流混合微电网的发展提供了技术基础支撑。     

基于储能稳压的交直流混合电能路由器协调控制策略

将交/直/交级联变换器、直流变换器、储能及其变换器通过公共直流母线组合,构成含两个交流端口、三个直流端口的电能路由器拓扑结构。分析典型运行模式并提出储能稳压的交直流混合电能路由器虚拟同步机协调控制策略:在交流单/双端并网模式下,通过储能稳定直流电压,两端交/直、直/交变换器通过虚拟同步机功率外环控制功率流向及大小;在交流双端离网模式下,通过储能稳定直流电压的同时,配合分布式电源为交直流负荷供电。所提策略无需模式切换,降低了控制复杂性,可实现电能路由器各模式下直流电压稳定、就地消纳分布式发电,保证交直流负荷持续稳定供电,还可实现双端并网时电网馈线间的柔性互联、电网故障时潮流转供以及双端离网下的自稳定运行,有效提高了低压配电网的供电可靠性。最后,通过仿真和实验验证了所提协调控制策略的正确性和有效性。     

单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器研究

提出了一类基于Boost-Flyback变换器的单级组合式不间断高功率因数AC/DC变换器电路结构与拓扑族。这类变换器由二极管整流桥和具有功率因数校正、不间断供电、输出电压快速调节等功能的Boost-Flyback变换器构成，可以将1种交流电压变换成所需要的输出直流电压。分析研究了这类变换器的3种工作模式(正常工作模式、后备工作模式、充电工作模式)、稳态原理特性、控制策略和关键电路参数设计准则，并给出了原理试验结果。这类变换器具有单级功率变换、不间断供电、网侧功率因数高、蓄电池与电网或负载高频电气隔离、输出电压调节速度快、体积重量小、成本低等优点。     

H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡控制策略

H桥级联多电平变流器是一个非线性、多变量、强耦合系统,其中单个功率模块的直流母线电压平衡问题严重影响该类型装置的输出性能,并限制其应用范围。对变流器与系统之间的功率交换模型进行详细的数学推导,得出可以通过控制变流器负序电流、零序电压或负序电压的方式达到控制单相直流电压平衡的控制规律。结合全局平均直流电压控制策略和单模块直流电压控制策略,提出基于正负序电流分离解耦控制的通用三级直流母线电压控制方法,解决了H桥级联多电平变流器的直流母线电压平衡问题,并提高了装置的输出性能。仿真和实验验证了所提直流电压控制策略的有效性和可行性。     

基于双PWM变换器的交流电子负载研究

为节省能源和简化电源设备测试的投入,研究了一种结构简单、可测试交流电能装置各种电特性并将试验电能回馈至电网的交流电子负载。根据其主电路的两级AC/DC/AC变换结构,分析了起传递能量桥梁作用的直流母线电容工作和谐波产生机理,提出了将两级PWM变换器分开控制的方案即前级变换器采用固定开关频率的单P环直接电流控制,后级变换器采用三角波调制的经典电压外环和电流内环的双闭环结构。基于32位定点TMS320F2812DSP控制器设计控制系统,实现了上述设计方案并应用于小功率交流电子负载实验样机。实验论证表明,该方案控制简单易行,可以实现对单相测试电源的阻抗特性精确模拟,同时完成功率因数接近于1的有源逆变,将测试电源电能回馈电网。     

双电源备用供电型通用潮流控制器

传统的UPFC中的潮流控制和有功功率补偿只是在同一线路上的电源和负载之间进行,因而其潮流控制能力和有功功率补偿的额度有限,不能实现不间断供电。为解决这一缺陷,提出了一种双电源备用供电型通用潮流控制器,该系统由4个共用一条直流母线的变换器构成。在介绍了其数学模型并分析了其主要功能后,详细讨论了其控制策略。MATLAB/SIMULINK环境下仿真研究的结果表明:双电源备用供电型通用潮流控制器能有效提高电力系统的供电可靠性,可实现不间断供电,且能够实现有功功率在不同电源和负载之间的相互补偿。     

中低压直流配电系统的分散式统一控制策略

中低压直流配电系统由中压直流母线、低压直流母线、直流变压器等组成,具有多电压等级、多直流母线、多变换器的特点,系统的运行方式与协调控制策略更加复杂。文中以中低压直流配电系统为研究对象,提出了一种基于直流母线电压信号的分散式统一控制策略。直流母线上的光伏发电单元、储能单元、燃料电池单元均采用分散式控制策略,根据直流母线电压调整各自的工作模式。直流变压器采用统一控制策略,集功率控制、中压与低压直流母线电压调节功能于一身,直流变压器根据中压与低压直流母线电压偏差的标幺值,自动调节传输功率的大小与方向,从而实现系统的全局功率均衡。最后,在MATLAB/Simulink中搭建了中低压直流配电系统的仿真模型,并对多种运行状态和场景进行了仿真分析,验证了所提控制策略的有效性。     

多换流器并联的交直流配电网潮流计算方法

针对多换流器并联的交直流配电网潮流计算展开研究,提出了基于虚拟主从策略的潮流计算方法。将多换流器并联的直流母线视为平衡节点,利用该节点上的功率平衡方程以及Udc=f(P)下垂特性方程,将首编号换流器定义为虚拟主换流器,推导得到其功率与其他换流器下垂特性曲线的关系式,实现该换流器功率与母线直流电压的求解;将其他换流器定位为虚拟从换流器,按照P=f(Udc)下垂曲线进行功率更新,解决了多换流器同时控制平衡节点电压的潮流计算难题。通过算例测试验证了所提算法的有效性和正确性。     

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。     

电力电子变压器的内部能量流动协调控制策略

在电力电子变压器(PET)中,当级联H桥(CHB)和双有源桥(DAB)变换器的动态响应特性差异较大时,高、低压直流母线电压容易出现大幅波动。为解决此问题,文中提出了一种基于PET内部能量流动的协调控制策略。该策略由基于直流母线能量总和调节的CHB控制和基于直流母线能量协调的DAB模型预测控制这2个部分组成,能够将PET直流母线储能总量的波动定量地分配给高、低压直流母线共同承担,以使所有直流母线能量的相对偏差的平方和达到最小。该策略简化了PET闭环控制系统和控制参数设计的复杂性,能够提升直流电压的动态响应性能,并且通过补偿控制的方法有效抑制了DAB中的二次功率传输。理论分析表明,所提控制策略对于电路参数的不一致有较强的鲁棒性。仿真结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。