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单级高频率SST拓扑及优化控制研究

王华峰  
【摘要】:固态变压器(Solid State Transformer,SST)作为一种新型的电能转换装置,在智能电网和分布式电源中具有重要的研究价值。受限于常规硅器件的耐压水平,迄今为止,学者们对SST的研究大多集中于模块级联拓扑结构、级联各模块间的均压均功率等问题,但是较多的模块数量增加了系统的体积与重量。随着宽禁带半导体器件碳化硅(SiC)技术的进步,SST的拓扑结构可以大大简化,电压和功率额定值有望推到更高的水平,从而使得SST朝着高转换效率、高功率密度的方向发展。本文通过对DAB变换器与交错并联Buck电路进行开关管复用,提出了一种新型的单级高频链SST拓扑结构,可用于交直流混合配电网之中。该SST采用开关管复用减小了功率开关器件的数量,降低成本的同时可以实现高功率密度和能量的双向传输。为了减小SST中开关器件(IGBT)的导通损耗,在扩展移相控制(EPS)的基础上,提出了一种整流平均电流优化混合调制策略。通过切换不同的控制模式,在不同的传输功率和电压增益下,选取多组桥内移相角进行分段调制,始终保持SST电感的平均电流值最小,减小了由电感平均电流值所带来的IGBT功率损耗,从而提高了SST功率传输效率。本文首先对所提SST的拓扑结构及其等效电路进行了详细介绍,在扩展移相控制(EPS)下对其调制策略、工作模式和功率传输特性进行了分析;然后为了降低由SST移相电感电流的平均值所产生的开关器件的导通损耗,在EPS控制下对不同工作模式下的电感电流进行了详细分析,通过大量的公式推导建立了整流平均电流、电压增益及传输功率三者间的数学模型,得到了不同工况下的效率优化曲线,从而提出了整流平均电流效率优化调制策略,并且给出了整流平均电流优化调制策略下桥内移相角在区域间切换时而引起输出电压震荡的原因及解决措施;最后采用英飞凌IKW40N120T2(IGBT)开关管搭建了400W的实验样机,验证了SST拓扑结构和整流平均电流效率优化调制策略的可行性。


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