有源功率解耦单相隔离型变流器拓扑及调控方法研究

It is a common problem in single-phase application system that the twice-frequency power oscillation of single-phase rectifier / inverter AC side introduces low-frequency harmonics to its DC side voltage or current. Compared with the traditional passive filter and active power filter, active power decoupling (APD) technology can realize the power converter system of long-life, high efficiency, high power density and high reliability, and have great potential especially in small and medium power applications, representing a development direction of future converter. In this project, the theory and method of active power decoupling are studied systematically and deeply with high frequency link(HFL) converter. The main research contents and objectives include: 1) Propose new type of high frequency isolation converter topology, explore the physical essence of decoupling circuit and the universal law of topological deduction, and initially built up a single-phase high frequency link converter topological series without electrolytic capacitors; 2) Based on the energy conservation law and the small signal modeling method, the modulation signal and the control function of the active power decoupling high frequency link converter are analyzed to achieve accurate and efficient system cooperative operation; 3) The parameters configuration and synthesis optimization of integrated system are realized by means of multi-component multiplexing, multi-mode operation and multi-target system optimization. The findings of the project will improve the performance of power electronic converters and maximize the energy utilization, and provide the basic theory and innovative technology for the ripple power mitigation of the single phase power conversion system.

单相整流/逆变器交流侧两倍频功率脉动致使其直流侧电压或电流引入低频谐波，负面影响大，是单相应用系统的一个共性问题。和传统无源滤波和有源滤波器相比，有源功率解耦技术能够实现系统长寿命、高效率、高功率密度和高可靠性，在中小功率场合应用潜力巨大，代表着变流器未来的一种发展方向。本项目以单相高频链变换器为对象，深入系统地开展有源功率解耦理论和方法的研究。项目重点研究：1）探索解耦电路物理本质和拓扑推衍普适性规律，提出新型高频隔离型变流器拓扑，初步构建一个无电解电容高频链变流器拓扑体系；2）基于能量守恒和小信号建模方法，解析新型变流器调制信号和控制函数，实现系统精确和高效协同运行；3）运用元件多功能复用、电路多模式工作和系统多目标优化等方法，完成一体化变流系统的参数配置和综合优化。项目成果将很好地实现变流器综合性能提升和对能量利用的最大化，为单相电能变换系统的纹波功率治理提供基础理论和技术支撑。

纹波功率和二次电流纹波在单相功率变换（包括AC-DC和DC-AC）系统中是一个共性问题，严重制约变流器性能和功率密度的进一步提升，同时影响供电系统能量利用效率。本项目针对纹波问题，结合单相功率变换需求和不同类型高频链结构，采用并联、多端口接入和端口复用等电路配置形式，研究纹波功率有源解耦机理及其解决方案。主要研究与创新有：1、探索其电路本质和拓扑推衍的普适性规律，基于有源功率解耦方法提出一类新型高频隔离型变流器拓扑，实现了由辅助电容来处理脉动功率，提高了变换器可靠性和寿命，且大幅减小了所需电容值；2、运用元件多功能复用、电路多模式、分时耦合工作等方法，尝试实现整个一体化变流器系统的参数配置和综合优化；3、基于能量守恒和功率流分配关系推导了新型变流器不同端口电流基准的精确表达式，建立了有功功率和二次纹波功率的协同控制模型及具体策略，运行效果良好。.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解耦集成的新型功率变换器拓扑衍生规律及其优化方法，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，实现了不同应用场景和负载工况下的纹波抑制，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解耦方法具有拓扑结构简单、系统功率密度和可靠性高等特点。