面向双极直流微电网的端口极间电压自均衡变流器

面向双极直流微电网的端口极间电压自均衡变流器 汇报人：郴鑫、杨浴金、王凯宏、Majid2025-12-20 三峡大学电气与新能源学院-一湖北省微电网工程技术研究中心 主要内容 研究背景及研究现状 极间电压自均衡变流器拓扑构建思路探讨 2. 非隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 3. 隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 4 1.1 课题研究背景及意义 分布式能源占比增高 直流负载增多 新能源所产生的电能多为直流电形式 国际能源署（IEA）《Renewables2023:Analysisandforecastto2028》 电动汽车 可再生能源占全球发电量的42%，风能和太阳能光伏发电占25%，全球太阳能光伏和风能新增量将比2022年增加一倍以上，达到近710吉瓦 2025年中国新能源汽车销量将达到1600万辆左右 数据中心 2030年将突破4000亿千瓦时，占全国总用电量的4%以上，有大量直流负载 轨道交通 波动性强，需要储能系统配合，构造绿色柔性直流供电系统 中国可再生能源发电能力增长将比前五年增长三倍，占全球发电能力增长的56%，成为第一大增长市场 直流微电网天然适配光伏、电池等分布式能源和LED、数据中心等直流负载，能量转换环节少，效率高，已成为目前能源系统的重要组成部分 (c）各国/地区可再生能源电量增长情况 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 1.1 课题研究背景及意义 双极直流微电网能够保证在一条直流母线出现故障时，另一条母线可以正常工作 双极直流微电网正负极母线对地电压仅为总的直流母线电压的半，降低了对地电压幅值 1.1 课题研究背景及意义 母线电压稳定在并网状态下常由与交流电网相连的AC-DC变流器控制，在孤岛状态下由与储能单元相连的DC-DC变流器控制，各类方案较为成熟可靠。由于两个母线上所连接源和负荷功率的！不平衡，常会出现母线极间电压不平衡的现象，这也是目前双极直流供电系统应用所面临的关键难题 优势：系统可靠性高，极间电压平衡由与交流电网相连的两个独立AC/DC变流器实现劣势：系统结构复杂，需要两个独立AC/DC变流器两套变压器或三绕组三相变压器，成本高。 母线电压稳定和极间电压平衡是构建稳定可靠双极直流微电网最关键的两个指标，直接关系到系统内设备运行的可靠性和安全性。 三峡大学电气与新能源学院一一湖北省微电网工程技术研究中心 新型自均衡VB优势 主要内容 研究背景及研究现状 极间电压自均衡变流器拓扑构建思路探讨 2. 非隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 3. 隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 4. 2.1 现有研究中的自平衡拓扑 ·均衡机理 Upz × ton1 = Uz × ton2Upz ×ton3 = UzN × ton4当1onl=lon2，fon3=lon4'即可实现upz=UzN=0.5upN ·均衡机理 dipUpz = us, - L,Uzn = Us2 - Lz2dt 平衡电感方案 耦合电感方案 优势：在保留传统DAB特性的同时，仅通过增加一个或两个电感器件实现了极间电压自均衡，有效降低了控制复杂度存在问题：该方案仅适用于DAB结构，对于其他变流器拓扑则无法适用，这大大限制了该方案的普适性和其应用效果。另一方面，为了保持电压均衡，需要对开关占空比做出严格限制。最后，较大体积的磁性元件和较多的开关管也导致了变流器的体积和成本较高。 优势：在不引入额外器件的情况下改善负载不平衡下多绕组交叉调节效应而带来的端口电压不平衡问题有效降低了TAB副边两个桥的控制难度和实现成本。 存在问题：需要基于三绕组结构下的谐振变流器，其适用范围受限，且其均衡效果取决于耦合系数能达到的标准，因此对耦合电感的制作工艺及要求提出挑战 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 2.2 新型自均衡思路的提出 ·现有自均衡方案存在的问题 存在问题 传统非自均衡VB方案较多，固有缺陷也较为明显，具备极间电压自平衡能力的VB近年来刚刚进入相关学者的研究视野，现有研究成果较少且多数以单一拓扑的形式出现，究其自均衡机理均是利用电感元件来实现，但电感电压受开关占空比、耦合系数、以及负载的影响，控制难度较大，自对拓扑约束性较高，缺乏工程适用性 怎么解决？？ 发展趋势 新型端口电压自均衡VB拓扑思路构建及拓扑推演 三峡大学电气与新能源学院--湖北省微电网工程技术研究中心 主要内容 研究背景及研究现状 极间电压自均衡变流器拓扑构建思路探讨 2. 非隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 3. 隔离型极间电压自均衡变流器拓扑集研究 3.1拓扑推演及工作原理分析 传统拓扑组合方案下的均衡机理 将Boost和Zeta组合而成，！或者将Boost和Buck-boost组合而成。基于两个或多个基础DC/DC变换器组合而来，它们输出相互解耦。 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 3.1拓扑推演及工作原理分析 ■工作原理 >模态2[t-t]：在该阶段t,时刻开关S,关断，二极管Dp1、Dp2、DN1VDn2均处于导通状态。在此阶段，电容Cpu、Cnll、CN21、Cp22Cp12、CN22充电，电容Cp21、CN12放电。 >模态1[f-ti]：在该阶段t,时刻开关S,导通，二极管Dp1、Dp2、DN1VDN2均处于关断状态。在此阶段，输入电压uin为电感Li、电容Cp21、Cn12充电，电容Cp11、Cn11VCN21、Cp22、Cp12、Cn22放电。 三峡大学电气与新能源学院一一湖北省微电网工程技术研究中心 3.2变流器性能及自均衡机理分析 电压增益及器件应力分析 三峡大学电气与新能源学院-一湖北省微电网工程技术研究中心 3.2 变流器性能及自均衡机理分析 极间电压自均衡机理分析 极间电压自均衡机理分析 式中，P为变流器输出总功率，AP为在未接入所提变流器之前，负极对正极所转移的功率。结合电容纹波表达式： 开关频率越高、电容容值越大，均衡能力越强可调节的极间不平衡功率越大。 功率分配机理分析 Upv为正负极母线总电压，"LP："L分别为双极直流微电网正极与负极电压，且有"Lp阶段1: UcD =Upz +Uf-P2 + Ip·rcpl -(ucpI -0.5△ucpl) = > 阶段2: Upc =UzN +UF-N2 + IrcN1-(ucNI-0.5△ucN1):Ucpl + 0.5△ucp1 + Ip rcpI + Uf-PI >联立两个阶段： 》结合电容纹波公式： 三峡大学电气与新能源学院--湖北省微电网工程技术研究中心 实验结果 实验设计 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 4.3实验结果及分析 极间电压自平衡实验结果 实验结果表明： 所提变流器在开环控制下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（500W）时，极间电压偏差仅为总输出电压的0.63%。结果表明，在电压偏差允许的范围内，可不需要额外的电压平衡控制 三峡大学电气与新能源学院-一湖北省微电网工程技术研究中心 4.3实验结果及分析 损耗及效率分析 结论 所提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“模块化高增益双极性整流电路”，可连接多种前级逆变结构，且不改变前级的控制方式，提升了电路普适性 变流器热成像图 所提BVM单元结构简单具备可扩展性和升压能力可以有效提高变流器的电压增益，降低器件电压应力。 实验样机的最大效率为97.38%，在1kW额定功率下的效率为97.31%。根据热成像结果显示，实验样机发热主要集中在变压器绕组和二极管。 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 第十一届电气学科青年学者前沿研讨会 ■相关文献 (2025IEEETransactionsonIndustrialElectronics) [2] AFamily of Voltage Balancers with Interpolar Voltage Self-Balancing Abilityfor BipolarDC System(2025IEEETransactionsonTransportationElectrification)[3] A Family of Bipolar High Step-Up Zeta-Buck-Boost Converter Based on “Coat Circuit"(2023IEEETransactionsonPowerElectronics)[4] High Transformer Utilization Ratio and High Voltage Conversion Gain Flyback Converter Based on "Coat Circuit”(2024IEEETransactionson IndustryApplications)[5]一种双极性输出端口电压自平衡隔离型DC/DC变换器(2024中国电机工程学报、第十七届中国高校电力电子与电力传动学术年会优秀论文奖）[6]适用于基本DC/DC变换器的“外衣电路”拓扑家族研究(2023中国电机工程学报） 三峡大学电气与新能源学院一湖北省微电网工程技术研究中心 谢谢，请批评指正！ 汇报人：郴扮鑫、杨浴金、王凯宏、Majid