面向双极直流微电网的端口极间电压自均衡变流器

主要内容

研究背景及研究现状

• 研究背景: 随着可再生能源占比增高和直流负载增多，双极直流微电网因其高效率、高可靠性和安全性成为发展趋势。然而，双极直流微电网面临极间电压不平衡的关键问题，影响系统运行可靠性和安全性。
• 研究现状: 现有电压平衡器主要分为独立型、复合型和新型自均衡型。独立型和复合型存在控制复杂、成本高或适用性受限等问题，而新型自均衡型电压平衡器具备极间电压自均衡能力，控制方式简单，成本低。

极间电压自均衡变流器拓扑构建思路探讨

• 现有自平衡拓扑: 主要基于电感元件实现，但存在控制难度大、均流电压不可控、均压电流不可控等问题，且对拓扑约束性较高。
• 新型自均衡思路: 提出基于“电压源端口间接并联”的自平衡思路，实现端口串联自均压，提高工程适用性。

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，推演出SEPIC-Cuk型极间电压自均衡变流器。
• 工作原理: 通过电容电流应力一致性和双极输出端口电压平衡思路实现自均衡。
• 性能分析: 电压增益及器件应力分析表明，该变流器具备良好的性能。极间电压自均衡机理分析表明，该变流器能够有效调节极间不平衡功率。
• 实验结果: 在不同负载组合下，最大极间电压不平衡度仅为0.348%，验证了所提变流器具备较好的极间电压自平衡效果。

隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究

• 拓扑推演: 基于BVM结构，推演出LLC-BVM型极间电压自均衡变流器。
• 工作原理: 通过模态分析和功率转换过程实现自均衡。
• 性能分析: 电压增益及器件应力分析表明，该变流器具备良好的性能。极间电压自均衡机理分析表明，该变流器能够有效调节极间不平衡功率。
• 实验结果: 在开环控制下，所提变流器仍具有良好的极间电压自平衡能力。在极端情况下，当一极空载，另一极满载时，极间电压偏差仅为总输出电压的0.63%。
• 损耗及效率分析: 实验样机的最大效率为97.38%，在1kW额定功率输出下的效率为97.31%。

研究结论

• 所提非隔离型和隔离型极间电压自均衡变流器拓扑具备极间电压自均衡效果，无需额外的电压平衡控制就可以保持双极输出电压的一致性。
• 所提BVM结构本质为一种中心“模块化高增益双极性整流变流器电路”，可连接多种前级逆结构，且不改变前级的控制方式，提升了电路普适性。
• 所提变流器拓扑具备可扩展性和升压能力，结构简单，效率高，具有良好的工程应用前景。