面向双极直流微电网的端口极间电压自均衡变流器

研究背景及意义

• 全球能源转型趋势下，可再生能源占比持续提升，分布式能源和直流负载增长迅速，如光伏、电动汽车、数据中心等。
• 双极直流微电网因其高效率、高可靠性和简化并网结构等优势，成为未来能源系统的重要组成部分。
• 极间电压平衡是双极直流微电网的关键技术挑战，直接影响系统稳定性和安全性。

电压平衡器研究现状

• 电压平衡器分类：独立型、复合型、源-网/储-网/荷-网复合型，其中新型自均衡电压平衡器具备极间电压自均衡能力，控制简单、成本低。

极间电压自均衡变流器拓扑构建思路

• 现有自均衡方案存在的问题：基于电感元件实现，但控制难度大，均流/均压不可控，拓扑约束高。
• 新型自均衡思路：提出“电压源端口间接并联”自平衡思路，通过拓扑组合实现端口串联自均压。

非隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究

• 拓扑推演：基于SEPIC和Cuk变流器组合，如SEPIC-Cuk型，实现极间电压自均衡。
• 工作原理：通过电容电流应力一致性实现电压平衡，分析电压增益、器件应力及自均衡机理。
• 实验结果：在400W总功率下，最大极间电压不平衡度仅为0.348%，验证了自均衡效果。

隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究

• 拓扑推演：基于LLC谐振变换器和BVM（“外衣电路”）结构，如LLC-BVM型，实现极间电压自均衡。
• 工作原理：通过BVM单元间接并联实现电压平衡，分析电压增益、器件应力及自均衡机理。
• 实验结果：在1kW总功率下，极端负载下极间电压偏差仅为0.63%，验证了自均衡效果。
• 损耗及效率分析：最大效率达97.38%，损耗主要集中在变压器和二极管。

结论

• 所提出的新型自均衡变流器拓扑具备极间电压自均衡效果，无需额外控制即可保持双极输出电压一致性。
• 拓扑结构简单、可扩展、高增益，适用于多种前级逆变换结构，提升电路普适性。