非级联式部分功率变换直流电源技术研究

High power DC sources are more and more widely used along with the energy shortage and development of renewable energy. Many electric energy storage elements and renewable energy sources are with DC output characteristics, while DC links are also extensively adopted in the advanced utilization of AC power. Inevitably power electronics will be continuously demanded to modify the unstable DC sources. The conventional DC/DC puts the converters in cascaded with the rough DC sources to achieve stablized output by full power conversion. That suggests full cost, full loss and relatively low reliability. In fact, converters in series or parallel with the DC sources can also result in regulated DC output, who are only dealing with a portion of output power. It's possible for them to remarkably cut down the converter capacity and alleviate the problems mentioned above, especially in high power applications. The converter topologies and control, the mutual locations in combinations for the converters and sources vary a lot by different source and load specifications. The proposed project is going to study the foundamental principles for this new configuration from the basic structrues of non-cascaded schemes. Reasonable and practical power circuits and control algorithms are expected to meet various kinds of application requirements, so that the new idea of non-cascaded DC/DC technology with partial power conversion could be developed.

随着能源短缺的加剧与新能源开发利用的深入，大功率直流电源的使用越来越普遍。多种新能源以及电力储能环节呈现直流形式，交流电的精细利用中也大量使用直流环节。普通直流源应用要求使用电力电子技术加以处置。 常规DC/DC电源技术使用变流器与不稳定电源级联，以全功率变换获得稳定直流输出。全容量处理意味着高成本、高损耗与低可靠性，在大功率场合下上述问题尤为突出。实际上，不仅级联变流器，串联与并联方式亦可获得高性能输出，原则上后两种方式是部分功率变换的，有可能在保证性能前提下显著改进上述不足。 针对不同电源性质与输出要求，非级联式布局下变流器自身拓扑与控制、电源与变流器的组合等均呈现极大差异，有待探索。本申请项目拟从变流器与电源协同出力的基本结构入手，研究其基本规律，结合实际需求提出合理的电路结构与控制方法，以期推动部分功率变换新型大容量直流电源技术的深入发展与应用。

常规DC/DC电源技术使用变流器与不稳定电源级联，以全功率变换获得稳定直流输出。全容量处理意味着高成本、高损耗与低可靠性，在大功率场合下上述问题尤为突出。实际上串联与并联方式亦可获得高性能输出，原则这两种方式是部分功率变换的，有可能在保证性能前提下显著改进上述不足。.本项目着眼部分功率变换的DC/DC变流技术理论与实际问题展开了研究。.首先针对常规不稳定电压输入稳压输出的串联式部分功率变换进行了分析，选取升压变换为典型应用场景，以传统boost升压电路与输入串联移相全桥为对比，理论、仿真与实验研究表明，在Boost 电路中开关管的硬开关工作以及开关管和二极管的高电压应力不仅严重影响电路效率，而且增加了系统成本。同时在电流连续模式下，由于其控制-输出电压传递函数存在右半平面零点，因此电路的动态响应慢。我们对基于移相全桥的串联升压式部分功率DC-DC 变换器的工作原理进行了详细分析，并建立了小信号模型，仿真、实验验证其具备如下优点:.1) 开关管和二极管的电压应力低，实现了开关管软开关，效率更高；.2) 输入输出电流连续，输出滤波电感小。.3) 动态响应快，动态性能良好。.4) 全桥电路处理的功率小，成本低。.类似于上述研究背景，选取升降压变换为典型应用场景，以传统buck-boost升降压电路与输入串联新型高频变压器隔离的逆变部分容量变流电路为对比，理论、仿真与实验研究表明，在传统buck-boost 电路中开关管的硬开关工作以及开关管和二极管的高电压应力明显影响电路效率，增加了系统成本。在电流连续模式下，传统非隔离升降压控制-输出电压增益为非线性，控制难度略高，动态响应稍逊。我们对基于高频隔离双移相全桥逆变器的串联升降压式部分功率DC-DC 变换器的工作原理进行了详细分析，实验验证其具备如下优点:.1) 开关管和二极管的电压应力低，实现了所有开关管的宽范围软开关，效率更高；.2) 输入输出电流连续，输出滤波电感量小。.3) 动态响应快，动态性能良好。.4) 用于串联处理部分功率的高频隔离式逆变器额定功率小，附加成本有限。