三端口直流变换器拓扑理论及应用关键技术研究

Three port power systems, which contain an input, an output and a bidirectional port, are widely found in stand alone or micro-grid renewable power systems with storage batteries. This work will focus on the topology theory and key technology of three-port converters (TPC) in such systems mentioned. We will ①Analyze the operational mechanism and port characters, and theoretically bridge the TPC and the conventional converters via decomposing and equivalent of the power flow, in order to find the topology derivation theroy of the TPC based upon discovering and reforming of the power flow. ②Propose circuit construction and optimization methods for TPC topologies, featuring single stage power conversion among any two of the three ports, including Combination-and-integration method, power control inserting method, power route embedding method and direct upgrading method.③Invent a family of valuable TPCs via classification, filtering and optimization of the feasible topologies generated above, taking pulse width modulation and design in consideration. ④Modify power control and energy management strategies for typical TPC topologies with muti-objective coordination, including MPPT, output controllable and battery characteristics, and coordinated implementation of control and modulation.⑤Promote the topology concepts and achievements to extended TPCs and applied systems with distributed modular TPCs. This work will come to a systematical theory and technology for three port DC-DC converters and its optimized application, and also give a reference for power converters with complex power interfaces.

新能源独立供电系统和微网系统等配有蓄能电池，形成了具有输入、输出和中间双向三类端口的结构。拟研究面向此类系统的三端口直流变换器(TPC)拓扑理论和应用关键技术。①归纳总结并提取典型TPC拓扑所共有的端口特性及端口间功率流特性，给出TPC拓扑内在机理描述，提出基于功率流分析与重构的直流变换器拓扑衍生的整体思想和方法；②提出TPC拓扑合理有效的物理构造和优化方法：组合-优化构造法、控制变量重构法、功率路径重构法和直接构造法，实现端口间单级功率变换；③拓扑筛选、分类，PWM 调制策略和参数设计优化准则，发明一系列高能效优化TPC；④典型TPC多目标优化协调控制和能量管理策略，控制和调制有机融合的实现技术，兼顾最大功率点跟踪、输出可控及电池特性等；⑤广义TPC拓展研究及分布式模块化TPC供电系统演示验证。研究成果将形成三端口变换器拓扑系统理论及高能效应用关键技术，并为复杂功率接口变换器研究提供参考

以航天器电源为代表的可再生能源独立供电系统一般配有蓄能电池，形成了具有输入、输出和中间双向三类端口的系统结构，采用新型集成三端口变换器(Three-Port Converter，TPC)的方法和技术可显著提高系统功率变换能效。本项目旨在研究和揭示直流TPC拓扑族的本质规律和内在联系，形成一般性拓扑衍生理论和方法，为复杂功率接口变换器拓扑的研究提供理论和方法参考。.提出了基于功率流分析与重构的直流变换器拓扑衍生的整体思想和方法，归纳总结并提取典型TPC拓扑所共有的端口特性及端口间功率流特性，给出了TPC拓扑内在机理描述，揭示了TPC与传统两端口变换器的内在联系，建立了两端口变换器拓扑向三端口变换器拓扑转化的桥梁。.提出了TPC拓扑合理有效的物理构造和优化方法：组合-优化构造法、控制变量重构法、功率路径重构法和直接构造法。推导并得到了一系列具有高集成度且任意两个端口之间均为单级功率变换的TPC拓扑族和多端口变换器拓扑族，包括非隔离式、半桥式、全桥式以及双向式等。提出了兼顾实现输入最大功率点跟踪、输出稳定及蓄电池充放电控制等要求的多目标优化功率控制和能量管理策略，以及脉宽调制等关键技术的解决方案。.研究了基于模块化TPC的系统架构及功率控制策略，提出了源端分布式模块化TPC系统架构和功率控制方法，实现所有输入源的最大功率点跟踪；提出了负载端分布式模块化TPC系统和功率控制方法，满足不同负载的独立性和差异性供电需求。.对所提出的典型变换器及模块化系统进行了深入的理论分析和全面的实验验证。详细论述了其基本原理、工作模态、调制方法、软开关特性和设计要点的分析，给出了原理样机在各种工作模式下的稳态和动态实验结果，验证了理论和方法的正确性以及有效性。.发表论文20篇，其中SCI收录7篇，EI收录18篇，重要核心刊物4篇，国际会议论文6篇。申请国家发明专利6项，其中已授权4项。培养博士生3人（其中一人获2017年江苏省优秀博士论文），硕士生5人。研究成果已应用于航天器电源变换器预研。