电能路由器储能隔离双向DC/DC变换器族及多模块功率流控制研究

With the increasing proportion of renewable energy power generation and the development of energy internet, power router have received a great attention at home and abroad in recent years. The energy storage system is an important part of the power router. The isolated bidirectional DC/DC converter (IBDC) acts as an interface for the energy exchange, balances the power relationship in the power router, and directly affects the function and performance of the power router. Some important indicators, such as the high efficiency, large capacity, wide range input and high gain, pose new challenges to the topologies and controls of the DC/DC converter. For the energy storage systems in the power router, this project aims at the hundred kW power levels to study key technologies of the isolation bidirectional DC/DC converter topologies and power flow controls. A novel current-fed push-pull IBDC topologies are proposed to accommodate the wide range inputs and different voltage levels; A SOC power exponent droop control for the parallel operation of multi energy storage modules are proposed to meet the high power requirements, where it is the key to achieve the reasonable distribution of load power and the bus voltage stability. The new modulation strategies is researched to realize the soft switching, high efficiency and also power bidirectional transmission. Through the research of this project, the key technologies of the high-power energy storage converter and its control strategy in the power router are solved, and a more systematic analysis theory and design method are formed, which lays a theoretical foundation for the engineering design and application of the energy storage transformation equipment of the power router.

随着可再生能源发电占比的不断提高以及能源互联网的发展，电能路由器近期得到了国内外极大关注。电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和新型负载提供所需的电能接口，可实现能量的多向流动和对功率流的主动控制。储能系统是电能路由器的重要组成部分，其中隔离双向DC/DC变换器(IBDC)充当能量交换的接口，储能器件通过双向DC/DC变换器接入系统，充当两个不同电压等级之间能量传递交换的接口(通常电池侧为低压输入，直流母线为高压输出)，根据负载的需要调节系统中能量双向流动，平衡电能路由器中的功率关系，直接影响电能路由器的功能与性能。高效率、大容量、宽范围输入和高增益的要求对IBDC提出了新的挑战。本项目针对电能路由器中的储能系统，以百kW功率等级为目标，构建适合其宽范围输入、高电压输出、高效率、低成本等要求的隔离型双向DC/DC变换器拓扑族，提出新型电流型推挽IBDC拓扑族，研究功率流双向传输和实现软开关的调制策略，研究升降压模式切换的瞬态电磁现象；研究储能DC/DC变换器对电能路由器功率流的协调控制策略，开展稳定性分析与控制系统参数优化设计以及动态性能研究；研究多储能模块并联运行时相互耦合影响的机理和各储能模块间无互连线功率合理分配的控制方法，提出多储能模块并联SOC幂指数下垂控制以实现大功率要求，其中实现负荷功率合理分配是关键；开展新型调制策略研究以实现软开关、高效率和功率双向传输；针对蓄电池与超级电容储能系统功能的定位，开展多时间尺度的综合优化控制策略和控制环路参数优化设计方法研究。通过本项目研究，解决电能路由器大功率储能变换器及控制的关键技术，形成较为系统性的分析理论和设计方法，为电能路由器储能变换装备的工程设计和应用奠定理论基础。

隔离双向DC/DC变换器(IBDC)是电能路由中的重要环节，是低压到高压的接口，承载着能量的平衡。本项目针对区域型电能路由器中隔离双向DC/DC变换器(IBDC)开展了相应研究工作。考虑实际应用，主导思路是利用1200V以下功率器件实现高效率、大容量、宽范围输入和高增益要求的隔离双向DC/DC变换器和能量的高效控制，这是本课题需要突破的关键技术。主要开展了五大部分有特色的研究工作。.①适合高效率、大容量、宽范围输入和高增益要求的隔离双向DC/DC变换器拓扑。不同的电压等级、功率等级不同的要求，可能需求不同的储能变换器拓扑，本项目拓扑研究分为两大类：电流型推挽式隔离双向DC/DC变换器和多谐振LLC隔离双向DC/DC变换器。申请发明专利2项。.②针对电流型推挽式隔离双向DC/DC变换器开展了功率传输能力的研究，得出了正反向高效功率传输的最佳工作模式；提出了传输电感端电压匹配+PPS控制以减小电流峰值、提高变换效率；研究了变压器励磁电感对软开关的影响，获得了变压器设计的原则；提出一种模态平均分级建模方法，获得高频时间尺度下的状态空间动态模型。.③开展了电能路由器系统能量协调控制研究，提出了指数型自适应虚拟直流电机稳定控制策略，通过增加惯性使系统在扰动下易于稳定。开展了2倍频功率波动对母线电压稳定控制影响研究。.④为了提升功率变换能力，开展了多储能模块的并联运行研究，提出了基于电池SOC变因子指数下垂控制的无互联线并联运行策略，实现负载合理分配。(发明专利).⑤开展了电能路由器系统直流到交流的DC/AC逆变器高电能质量控制研究，提出了弱电网下基于电压加权控制的背景电压谐波抑制策略(发明专利)、提出了基于非线性控制的三相四线制并网逆变器的零线电流谐波抑制策略(发明专利)。共发表论文19篇，其中，SCI收录论文4篇、EI收录论文7篇；申请发明专利共计5项(其中授权3项)； 培养博士研究生1名，硕士研究生7名。