Search academic texts

Registration Number

0825U003309, PhD dissertation

Status

Доктор філософії, 141, Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка

Date

24-09-2025

popup.evolution

o

Title

Bidirectional semiconductor converters for energy storage systems with enhanced output voltage quality

Author

Dmytro Martynov,

popup.head Oleg Yurchenko
popup.opponent Oleksiy Horodnii
popup.opponent Yevhen Verbytskyi
popup.review V'iacheslav Hutsaliuk
popup.review Vasyl Chopyk

Description

Дисертація присвячена підвищенню ефективності двонаправлених напівпровідникових перетворювачів для систем накопичення енергії. Актуальність роботи обумовлена розвитком технологій накопичення енергії, зростанням ролі відновлюваних джерел та потребою в оптимізації процесів перетворення. Двонаправлені перетворювачі забезпечують стабільність напруги та енергобаланс у мережах з високою часткою ВДЕ. Ключові завдання при розробці двонаправлених перетворювачів — мінімізація енергетичних втрат, покращення якості електричних параметрів, а також прискорення та здешевлення впровадження нових рішень. У роботі удосконалений принцип побудови двонаправленого перетворювача з використанням топології асиметричного інвертора з магнітозв’язаними дроселями, який, на відміну від існуючих, передбачає введення додаткового дроселя, що дозволяє значно зменшити циркуляційні струми і пов’язані з ними втрати потужності. Запропонована топологія не потребує пауз між перемиканнями транзисторів, що дає змогу працювати на високій частоті й зберігати якісні вихідні параметри, одночасно зменшуючи масогабаритні характеристики. Розроблено нові аналітичні моделі асиметричного інвертора з магнітозв’язаними дроселями для систем накопичення енергії, що дозволяють ще на етапі проектування врахувати запобігання циркуляційним струмам, на відміну від відомих моделей. Вперше розроблено модель мережевого ШІМ-інвертора як нелінійної імпульсної системи з дискретним керуванням, де замість класичних підходів застосовано частотний критерій стійкості, модифікований Найквіст, для інвертора з LC-фільтром другого порядку. Це дозволяє точно визначити граничні значення коефіцієнти підсилення та відносної частоти перемикання для забезпечення абсолютної стійкості, що суттєво підвищує точність проектування систем керування. Розроблено нове аналітичне співвідношення, що пов’язує глибину модуляції та відносну похибку від модуляційних спотворень із коефіцієнтом гармонік у вихідній напрузі інвертора з LC-фільтром і на відміну від існуючих підходів, які передбачають спектральний розклад ШІМ-сигналу в ряд Фур’є, за умови малих гармонік та ефективного фільтрування, коли відносна похибка практично дорівнює коефіцієнту гармонік, що дозволяє кількісно оцінити спектральні спотворення на основі параметрів ШІМ без розкладу в ряд Фур’є і забезпечити аналітичне обґрунтування критеріїв при проектуванні фільтрів згідно з обмеженням допустимого коефіцієнта гармонічних спотворень. У першому розділі виконано аналіз структур двонаправлених напівпровідникових перетворювачів та їх порівняння за ефективністю, складністю керування й якістю вихідних параметрів. Показано потребу у рішеннях, не обмежених по частоті перемикання через відсутність наскрізних струмів, що дозволяє розширити діапазон регулювання без пауз між перемиканнями. У другому розділі розроблено та досліджено двонаправлений перетворювач з використанням топології асиметричного інвертора, здатного працювати як у режимі DC-DC, так і DC-AC перетворення. Особливістю запропонованої схеми є використання лише двох силових ключів без послідовного з’єднання транзисторів у фазних плечах, що повністю усуває наскрізні струми, циркулюючи струми та знижує втрати на зворотне відновлення завдяки застосуванню зовнішніх швидкодіючих діодів. Побудовано аналітичну модель перетворювача з магнітозв’язаними дроселями, на основі якої запропоновано методику розрахунку параметрів для забезпечення ефективної роботи пристрою в системах накопичення енергії. Встановлено умови, за яких циркуляційні струми у схемі відсутні. Досліджено вплив додаткового дроселя на обмеження циркуляційних струмів, втрати та виведено залежність між напругою й індуктивністю. Також доведено, що перетворювач може працювати в режимі переривчастої провідності незалежно від рівня магнітного зв’язку, що зменшує динамічні втрати й підвищує ефективність на високих частотах. У третьому розділі проведено аналіз впливу параметрів керування та вихідного LC-фільтра на якість напруги, що формується двонаправленим перетворювачем DC-AC в режимі інвертора, зокрема на рівень гармонічних спотворень. Запропоновано аналітичну модель для оцінки коефіцієнта гармонік на основі модуляційної похибки, що спрощує розрахунок фільтра ще на етапі проектування. Інвертор розглянуто як дискретну імпульсну нелінійну систему, для якої розроблено модифікований критерій Найквіста, що дозволяє визначити умови абсолютної стійкості системи керування залежно від коефіцієнта підсилення та частоти перемикання. Встановлено їх граничні значення для збереження стійкості при зміні навантаження. Проведено порівняльний аналіз фільтрації в режимах неперервної та переривчастої провідності для оцінки впливу на спектр спотворень та структуру модуляційних гармонік. У четвертому розділі виконано експериментальну перевірку розроблених схемотехнічних і теоретичних рішень на макеті двонаправленого перетворювача з топологією асиметричного інвертора.

Registration Date

2025-08-06

popup.nrat_date

2025-08-06