近年来,环境问题和能源政策推动着能源系统向可持续化和分布式转变。双极性直流微网作为直流微网的一种流行架构,输出电压较灵活,系统较稳定,在分布式微电网中得到了广泛应用。然而,双极性直流微网负载和源端的不平衡导致母线电压电能质量恶化,严重时损坏功率器件,影响系统的稳定和安全。为了保证源端变换器高效接入直流微网中,源端变换器需具备高增益和低纹波的特性。同时,需要抗扰性能和鲁棒性能较好的控制器来保证源端变换器能够稳定跟踪电压参考值和实现输出电压的有效调节。基于此,本文开展双极性直流微网源端变换器自均衡电路及其控制技术的研究,主要研究内容如下:首先针对双极性直流微网对电压均衡和高电压增益的需求,本文从拓扑角度出发提出了一种源端高增益交错双输出升压变换器,对比分析了该变换器的不同工作模式,阐述了负向电流模式下均压均流策略,给出了损耗分析和小信号建模过程。该变换器的单个输出电压增益是传统Boost变换器的两倍,利用中间电容的电荷平衡实现了同一输出对应的两相支路电流自动均衡,利用负向电流消除了因负载不匹配带来的电压失衡问题,同时保证了所有开关管实现零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS),并通过仿真和实验验证了理论可行性。其次针对因死区时间不一致带来的电压失衡问题,本文提出了一种双输出结构的三态开关输入并联-输出串联(Input-parallel-output-series,IPOS)变换器,阐述了负载不匹配和非对称死区时间的电压失衡机理,分析了基于电感伏秒平衡的均压策略,给定了变换器参数设计要求。该变换器通过加入辅助平衡支路的方法来产生新的工作模态(三态),进而实现根据电感电压间接调节输出电压的目的,具有拓扑简单、调节容易的特点,并通过实验进行了验证。最后在双极性直流微网、光伏发电系统和三态开关IPOS变换器所构成的源端双输出变换器拓扑架构中,为了保证源端变换器能够稳定跟踪电压参考值,并保证良好的抗扰性能和鲁棒性能,本文基于扰动观测器(Disturbance Observer,DOB)控制和比例积分(Proportional-Integral,PI)控制,给出了一种单自由度鲁棒跟踪控制技术,介绍了源端双输出变换器拓扑架构,阐述了控制设计步骤,并分析了该鲁棒跟踪控制的性能,给出了参数整定依据。该鲁棒跟踪控制具有结构简单、可移植性强、无需准确的模型、抗扰性能和鲁棒性能良好的特点,并通过仿真进行了验证。
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