模塊化三端口直流變換系統(tǒng)研究.pdf

1、航天器電源系統(tǒng)、獨立新能源發(fā)電系統(tǒng)、直流微網(wǎng)等新的應用需求不斷提出，促進了對新型變換器拓撲及系統(tǒng)架構的研究和探索。為了適應未來航天器電源系統(tǒng)日益增長的高功率密度、高可靠性和模塊化的發(fā)展需求，本文對高性能三端口變換器(Three-Port Converter,TPC)的拓撲以及基于模塊化TPC的系統(tǒng)架構和功率控制策略展開研究，旨在為航天器電源變換系統(tǒng)提供高效、靈活的解決方案。
　　提出了一類新穎的部分隔離型TPC電路拓撲，其拓撲推演

2、的基本思路是：將兩端口交錯并聯(lián)Buck/Boost變換器橋臂中點所產(chǎn)生的高頻脈動電壓，經(jīng)無橋Boost整流單元整流后得到穩(wěn)定可控的直流電壓作為第三個功率端口，并通過加入功率變壓器實現(xiàn)端口之間的電氣隔離。選取其中典型拓撲對其工作原理和輸出特性進行深入分析，詳細推導軟開關實現(xiàn)條件和范圍，并給出原邊脈寬調(diào)制和副邊移相控制結(jié)合的功率控制方法。采用上述控制方法，實現(xiàn)了原副邊端口控制之間的近似解耦，且原邊兩路Buck/Boost變換器始終交錯180

3、°工作使得輸入電流紋波大大降低；原副邊開關管和二極管均實現(xiàn)了軟開關，進一步提高了變換器的效率。隨著輸入功率或輸出功率的變化，變換器可以在單入單出、雙輸入和雙輸出等三種狀態(tài)下穩(wěn)定運行且能夠完成自由切換，同時保持輸出母線電壓的穩(wěn)定，滿足航天器負載供電的需求。
　　研究了模塊化三端口變換器(Modular Three-Port Converter, MTPC)并聯(lián)應用的系統(tǒng)架構及功率控制策略。由于TPC含有三個功率端口，在構建模塊化電源

4、系統(tǒng)時具有很大的靈活性，從而可以得到多種不同結(jié)構形式的MTPC系統(tǒng)，以滿足不同應用場合的供電需求。
　　三端并聯(lián)連接是MTPC系統(tǒng)最基本的結(jié)構形式。分析了三端并聯(lián)式MTPC系統(tǒng)的運行狀態(tài)和功率控制需求，給出了三端并聯(lián)式MTPC系統(tǒng)功率控制的基本思想：對其中兩個功率端口同時進行均流控制，剩余第三個端口自由且根據(jù)能量守恒能夠自動實現(xiàn)均流。由于MTPC并聯(lián)系統(tǒng)與傳統(tǒng)兩端口變換器并聯(lián)系統(tǒng)均流控制的本質(zhì)一致，現(xiàn)有均流控制技術均可推廣應用于M

5、TPC并聯(lián)系統(tǒng)。以儲能端和輸出端同時均流為例，給出了基于平均電流法均流技術的系統(tǒng)功率控制方案及實現(xiàn)方式。
　　提出了一種源端分布式MTPC系統(tǒng)架構及其功率控制方法。系統(tǒng)特點是：各TPC模塊的輸入端相互獨立并分別連接分布式輸入源，可以實現(xiàn)所有輸入源的最大功率點跟蹤。深入分析了該系統(tǒng)的工作狀態(tài)和功率控制需求，提出了一種新型混合功率控制策略及其實現(xiàn)方式，其基本思想是：在儲能裝置處于放電狀態(tài)時采用儲能端均流、在儲能裝置處于充電狀態(tài)時按照各

6、自輸入功率分配輸出端功率。采用所提出的功率控制方法，源端分布式MTPC系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行并能夠?qū)崿F(xiàn)在所有工況下各個端口功率的優(yōu)化管理與分配。
　　提出了一種負載端分布式MTPC系統(tǒng)架構及其功率控制方法。系統(tǒng)特點是：負載側(cè)不需要公共直流母線，各TPC模塊的輸出端相互獨立并分別直接連接分布式負載，實現(xiàn)源端和儲能端到負載端的單級功率變換，并滿足不同負載的獨立性和差異性供電需求。詳細分析了該系統(tǒng)的工作狀態(tài)和功率控制需求，提出了一種新型混合功