功率变换系统中纹波特性及其有源抑制技术研究

It is very critical to suppress the ripples as it severely deteriorates the energy efficiency ratio and power quality of the power conversion system. While, the traditional passive filtering technology seriously restricts the further improvement of system efficiency, power density and reliability. Based on the active power filter theory, this project take systematic study about ripple suppressing technique in deep, and proposes the zero-ripple power converter(ZRPC) for the first time. The main research contents include: ripple characteristics analysis of typical power converters, derivation of high performance hybrid active dc ripple suppressor, topology construction and its optimization of novel zero-ripple power converter, multi-objective optimal control and modulation strategy, etc. Through modeling, simulation and experimental research, the project explore the theory and methodology about the organic combination of active filtering and power conversion, and provide theoretical basis and technical innovation for solving the ripple issues in the power conversion system flexibly and efficiently, especially for the new energy power supply system. Novel zero ripple power conversion technology with independent intellectual property rights is expected to form in this project. Meanwhile, the research methods and results used in this project are also suitable for other power electronics and power quality control field.

纹波严重影响着功率变换系统的能效比和电力品质，必须对其进行有效抑制，而传统无源滤波技术严重制约着系统效率、功率密度和可靠性的进一步提升。本项目基于有源滤波思想，对电能变换系统中的纹波抑制技术开展系统深入的研究,并首次提出零纹波功率变换器。主要研究内容包括：典型功率变换器纹波特性分析、高性能混合有源直流纹波抑制器的推衍、新型零纹波功率变换拓扑构建及其优化、多目标优化控制及调制策略等。通过建模、仿真和实验研究，探索电能变换和有源滤波的有机融合理论和方法，为灵活、高效地解决包括新能源发电系统在内的各种功率变换系统中的纹波问题提供理论基础和创新技术。项目有望形成具有自主知识产权的新型零纹波功率变换技术，同时本项目的研究方法和成果也适用于其他电力电子和电能质量控制领域。

纹波严重影响着供电系统的能效比和电力品质，在功率变换器环节对其进行有效抑制是解决问题的根本途径。本项目首次提出了零纹波输入的新型高可靠性高性能变换器，通过系统研究取得了较为丰富的成果。. 首先，选取典型两级式变流器为对象，基于双重傅里叶开关函数方法推导了逆变环节输入电流的准确表达式；建立了其等效谐波电路传输模型，分析了无源滤波元件的影响；最终揭示了典型功率变换器中的纹波来源及其特性，为进一步有效治理提供指导。. 以反激型电路为载体研究其输入纹波抑制技术，通过加入辅助电路提出了两种方案，由辅助电容来处理脉动功率，大幅减小了所需电容值，设计了系统电流预测及双电压环控制策略，有效简化了硬件电路，仿真和实验结果验证了这两种方案的可行性。通过继续改进又提出了两种新方案，解决了漏感能量无法回馈的问题，使变压器漏感中能量可以转移到辅助电容中，降低了器件的电压应力，提高了变换器功率密度和效率。新型变换器仍然能够在实现电压变换功能的同时，消除输入电流的二次纹波，为并网变流器设计提供了新思路。. 最后，针对中大功率场合的低频纹波抑制需求，提出了两种基于推挽型电路的新型变流器拓扑，为后续继续深入探索奠定了良好的基础和条件。. 通过理论分析、典型变换器以及应用系统验证，达成了以下主要研究目标与成果： 1）发现了一些电能变换和有源滤波集成的新型功率变换器拓扑构造规律及其优化方法，总结提出并初步形成了一个较完整的新型隔离变流器结构体系； 2）掌握了以最佳能量效率为导向，兼顾变换器性能的多目标优化系统控制策略，以及一套切实有效的新型变流器系统优化设计方法； 3）研制出若干台原理样机及其演示平台，实现了不同负载类型和多种工况下的纹波抑制，低频纹波衰减率达到4%以下。结合数学模型和电路特性的分析，证明本项目提出的新型变流器及其纹波抑制方法具有拓扑结构简单、系统功率密度和效率高、控制精度好和高频化运行等特点。