基于功率流向图的多端口DC/DC变换器拓扑衍生方法研究

Exploitation and utilization of renewable energy is an effective solution to the problem of energy crisis and environment pollution. Renewable energy power system depends on one or more energy sources, whose energy storage unit can be configured to have single or mixed energy storage device. The system proposed in this research advocates a multi-port converter to replace the traditional two-port converters, thus simplifying system architecture and lowering system cost. However, little research about multi-port converters has been done on the formulation of generalized topological derivation method in terms of connection of port sources, flow directions and modes of energy transfer. In this research proposal, the topological derivation method for multi-port DC/DC converters is presented and will be systematically studied, including: 1) basic circuit elements and their cascading rules, port-to-port energy flow and transfer pattern, and power flow graph based derivation method for multi-port power converter; 2) port-to-port power flow rules, derivation of multi-port DC/DC converters through screening principles; 3) exploring the applications, discussing the characteristics and studying the control strategy of the aforementioned converters; 4) application of the proposed method and control strategy in hybrid storage system in stand-alone PV system, selection of feasible multi-port converter and optimization of control strategy. Results of this research will provide insight for high-efficiency, high-performance, high power density energy generation systems and integration research on power electronics.

可再生能源的开发利用是解决能源危机和环境污染的有效途径。可再生能源发电系统可采用独立或多种能源联合供电，其储能单元亦可配置单一或混合储能装置。该系统采用一个多端口变换器替代原来多个两端口变换器，可以简化系统结构和降低成本。但现有多端口变换器研究尚缺乏从端口源联接、能量流动方向等角度形成通用性的拓扑衍生方法。本项目系统研究多端口DC/DC变换器拓扑衍生方法，包括：1)研究基本电路单元及其级联规则，挖掘端口之间能量流动与传递规律，提出基于功率流向图的多端口DC/DC变换器拓扑衍生方法；2)研究端口间功率流向的组合规律，利用拓扑筛选原则衍生多端口DC/DC变换器；3)对比分析所得变换器特性，探讨其适用场合，并提出基本控制策略；4)将上述方法和控制策略应用于独立光伏发电混合储能系统，合理选择多端口变换器，优化其控制策略。研究成果将为高效、高性能、高功率密度的能源发电系统和电力电子集成研究提供参考。

可再生能源的开发利用是解决能源危机和环境污染的有效途径。可再生能源发电系统可采用独立或多能源联合供电，其储能单元亦可配置单一或混合储能装置。该系统采用一个多端口变换器替代原来多个两端口变换器，可以简化系统结构和降低成本。但现有多端口变换器研究尚缺乏从端口源联接、能量流动方向等角度形成通用性的拓扑衍生方法。本项目系统研究多端口DC/DC变换器拓扑衍生方法及其控制，主要成果如下：1)从满足储能元件单独的充放电回路出发，将以储能元件为中心的H桥式结构（简称H桥）嵌入传统Buck、Boost和Buck/Boost变换器，衍生了一族非隔离TPC(Three-Port Converter)；将嵌入传统变换器的方式分为H桥不接入传统变换器元件的直接嵌入和接入传统变换器元件的间接嵌入传统变换器两类；分析和总结了H桥不同嵌入方式所衍生变换器的功率流向结构和工作模式；2)研究在前级供电系统与脉冲负载间并联一个双向变换器的三端口变换器，并在此基础上提出了一种基于电容电压谷值检测的自适应电流反馈控制策略，该控制策略中电流环参考值可跟随脉冲负载频率以及负载占空比的变化而自动调节，实现自适应跟踪效果。在此基础上为了解决由于电感电流不能突变造成前级输出电流存在电流尖峰问题，提出一种三态双电感双向变换器，根据脉冲负载特性调节三态双电感双向变换器的工作模式，即可消除电流尖峰问题；3)研究和设计了独立光伏发电混合储能系统，并提出一种单电容集中式均衡电路，该电路利用电容器作为虚拟电池临时存储能量，而后周期性地将存储的能量反馈回整组电池，实现对电池组的均衡，解决了传统Buck-Boost均衡电路均衡速度不一致的问题。在研究了该均衡电路的工作模式和控制策略的基础上，设计了四个电池的均衡实验电路并进行了对比实验。研究成果将为高效、高性能、高功率密度的能源发电系统和电力电子集成研究提供参考。