有源解耦电路拓扑构造与控制策略的研究

To improve the operation reliability and power density of the system, this project intends to study the active power decoupling technology. However, the active power decoupling technology has been not studied adequately and some issues still exists, for example, the specific control mechanism is ambiguous, structural rules of the decoupling circuits are still not clear, the precise decoupling cannot be fulfilled due to using open-loop control strategy. Therefore, this project is dedicated to solving those critical problems and filling the research gap in active power decoupling technology. First, the operation principles of the active power decoupling technology are to be studied to reveal the essential feature of the active power decoupling circuits. Second, the structural rules of the decoupling circuit topology and multi-function decoupling circuits will be researched. Then, the related closed-control strategies and decoupling control strategies will be addressed. At last, the performance assessment criteria of the active power decoupling circuits will be established. This project is to establish a set of relatively complete theory system for the active power decoupling technology; provide theoretical foundation for constructing new decoupling circuits, which meet the requirements in cost, efficiency, power density, compensation effect, reliability and so on; and help to accomplish precise compensation and robust control so as to promote the proliferation of the active power decoupling technology in industry and living.

为了提高单相变换器的可靠性和功率密度，本项目拟研究有源解耦技术。针对目前部分有源解耦电路工作机理不明确、拓扑结构不系统和解耦控制效果不佳等问题，拟从以下几方面展开研究：①探索有源解耦技术工作机理，揭示其本质特征；②提炼有源解耦电路拓扑构造的一般性规律，构造多功能解耦电路；③研究各类有源解耦电路的强鲁棒性的闭环控制策略和解耦控制策略；④研究有源解耦电路性能预测、优化与评估方法。本项目的研究旨在建立一套相对完善的有源解耦技术体系，为构建低成本、高效率、高功率密度和高可靠性等的有源解耦电路拓扑以及提出控制效果优良、鲁棒性强的控制策略奠定基础，推动有源解耦技术在功率变换器系统中的广泛应用。

本项目以单相变换器为对象，针对系统中固有存在的二次脉动功率问题，从拓扑结构和控制策略两个角度出发展开研究，达到显著提高电力电子装置功率密度的目的。针对现有有源解耦电路基本单元，总结了其基本性质和应用规律，为有源解耦电路构造规律的提炼奠定基础；针对有源功率解耦电路拓扑，从功率守恒、有源滤波、伏秒平衡/电荷平衡、虚拟阻抗等角度对有源功率解耦技术的工作机理进行总结，从对偶原理、开关复用、差分连接等角度对有源功率解耦电路拓扑结构进行了归纳和提炼，为新拓扑的提出奠定基础。此外，提出了具有降压和解耦功能的解耦电路，打破了PFC电路输出电压必须大于输入电压幅值的限制，提出了四种同时具有升压和解耦功能的二端口网络电路，打破了单相电流型变换器输出电压必须小于输入电压幅值一半的限制；针对有源功率解耦电路控制，提出了主电路控制解耦电容电压、解耦电路控制母线电压的串型控制思路，实现了精确的闭环功率解耦，提出了无源器件有源化方法的有源功率解耦控制方法，实现解耦控制与原电路控制的独立设计。总的来说，本项目针对单相变换器固有存在的二次脉动功率这一关键科学问题，揭示了有源功率解耦技术的工作机理，提炼了有源功率解耦拓扑的一般性构造规律，提出了多种应用于不同场合的优化电路拓扑和解耦控制策略，形成了一套相对完善的有源解耦技术相关理论，推动了低成本、高效率、高功率密度、多功能、控制复杂度低和解耦补偿效果好的解耦电路拓扑的提出，实现有源解耦技术在实际生产和生活中的广泛应用。.理论成果发表相关学术论文16篇（其中SCI期刊论文10篇，EI会议论文6篇）；培养博士研究生4人，硕士研究生7人；培养了一批青年学术骨干，其中一人被评为湖南省科技创新领军人才，一人获长沙市杰出创新青年基金；技术成果形成授权国家发明专利4项；本项目对团队控制方面的研究起到支撑作用，获得中国有色金属工业科技进步一等奖一项、湖南省科学技术创新团队一项。