大功率双向DC-DC变换器在电动汽车、储能系统、电能质量调节、可再生能源发电以及超导储能系统等领域具有广阔的应用前景。本文紧密围绕大功率双向DC-DC变换器的拓扑结构、PWM技术、系统建模和分析方法、数字化控制技术等问题进行系统深入的研究。
针对大功率应用的特点,本文首次提出了基于半桥结构PEBB的大功率双向DC-DC变换器拓扑理论和变换族,包括隔离型、非隔离型双向拓扑,以及新型拓扑:多相结构双向拓扑、级联结构双向拓扑、组合结构双向拓扑和复合结构双向拓扑等。
提出了双向DC-DC变换器的两种建模和分析方法:修正状态空间平均方法MSSA和新颖的开关信号流图统一建模与分析方法MSFG,建立了较完善的基础分析和系统设计理论体系。提出的MSFG方法将解析模型和电路模型有机结合,可以直观分析双向变换器的电路特性,同时建立双向DC-DC变换器的直流DC模型、交流AC小信号模型和大信号模型。
本文重点分析和实验验证了其中的三类典型拓扑结构:BUCK/BOOST双向DC-DC拓扑结构、两相交错双向DC-DC拓扑结构、双主动全桥拓扑结构,相应提出互补PWM控制技术、多相PWM技术、双主动全桥移相PWM控制技术。详细分析了三类变换器的基本工作原理、工作模态、双向功率流特性和软开关特性。分别采用MSSA方法和MSFG方法对三类变换器建立了系统模型,包括直流DC模型、交流AC小信号模型和大信号模型:并对稳态性能、小信号传递函数频率特性和大信号动态性能进行了仿真分析。两种方法所建立的模型分析结果一致,验证了所提方法的正确性。
分析了DC-DC变换器的电压和电流控制模式,提出多模态控制技术,阐述了控制器的设计方法和步骤,给出一种新型变参数滞环PID调节器有效改善系统稳定性。首次提出一种大信号控制器的设计方法,并从理论上证明系统大信号稳定。给出几种双向状态切换技术(包括主动切换技术和被动切换技术),保障稳定可靠的双向能量流控制。
本文对DC-DC变换器数字控制系统几个关键参数(采样速率、AD转换器位数、DPWM分辨率和开关频率)的设计原则进行详尽的分析,并提出非同步采样检测方法有效保证检测电流电压稳定,从而避免控制系统震荡。
