直流微网统一三端口变换器拓扑结构与控制方法研究

With the development of DC power distribution technology, the traditional AC power distribution network gradually to the evolution of AC/DC hybrid power distribution network. For ease of DC micro network under two kinds of power supply system in the "source" and "load" flexible access, the Unification Three-port Converter (UTPC) is proposed to replace two two-port converters, the project is key to carry out the following research work: 1. Combing of component reuse idea, put forward a kind of Unity Three Ports Converter (UTPC) topology, whose ports can bidirectional flow of power; 2. In order to effectively solve the problem of current flexible control, the state space average method is adopted to establish the mathematical model of UTPC, study the coupling relationship between each port of UTPC and proposes the corresponding decoupling control strategy; 3. In view of the two kinds of power supply system under the "source" and "load" switch and fluctuation problem, research the system transient characteristics of UTPC under the condition of pattern transformation and load fluctuation, and puts forward the control strategy of the fluctuation of the control system; Finally, using existing test equipment and conditions of the laboratory, build test platform to verify the system scheme and the feasibility of the control strategy. The objective of the research work will provides important technical support in advancing the standardization of DC micro network converter and flexible accessing of distributed renewable energy resource, and it has important scientific significance and engineering application value.

随着直流配电技术的发展，传统交流配电网逐步向交直流混合配电网演化。为便于直流微网中两种供电制式下的“源”和“荷”灵活接入，本项目提出用各端口功率均可双向流动的统一三端口变换器（UTPC）替代两个二端口变换器的思路，重点研究：1.结合拓扑复用思想，对UTPC拓扑结构、复用元优化及软开关开展研究；2.为了有效解决潮流灵活控制问题，采用状态空间平均法建立UTPC的数学模型，研究各端口之间控制量与被控量的耦合关系并提出相应的解耦控制策略；3.针对两种供电制式下的“源”“荷”切换及波动问题，研究UTPC工作模式转换及负荷波动条件下的系统瞬态特性和端口功率快速接入方法，提出功率稳定与快速控制策略；最后，利用实验室现有的测试设备和条件，搭建测试平台，验证系统方案和控制策略的可行性。本项目工作可对推进直流微网变换器的标准化和分式可再生能源的灵活接入提供重要技术支撑，具有重要的理论科学意义和工程应用价值。

分布式发电的普及和直流配电技术的发展代表着未来电网的发展方向，在这种趋势下，传统交流配电网逐步向交直流混合配电网演化。为便于直流微网中两种供电制式下的“源”和“荷”灵活接入，单一功能的两端口变换器被大量应用。项目组针对上述多形式电能供电和使用多个单一变换器所带来的功率密度低和环流等问题，提出一种具有功率密度高、结构和控制相对简单且便于系统扩展的标准化统一三端口双向电能变换器(Unified Three-port Converter, UTPC)。针对UTPC的拓扑结构和功率传输特性，重点研究了UTPC内部实现交直流变换的核心环节——二端口双向直流变换器（Dual Active full Bridge, DAB）。研究内容包括：从传统多端口DC/DC变换器、双向DC/AC变换器及电能路由器的拓扑结构出发，提炼出多端口电能变换器拓扑结构上的共性和特点，根据变换器器件复用和拓扑衍生理论，结合器件复用与系统参数最佳匹配原则，确定了实现多个端口且满足不同性质不同形式电能相互流通的UTPC初步拓扑结构；将UTPC的多输入-多输出系统转化为多个单输入-单输出系统进行功率解耦研究，建立了其小信号和大信号数学模型，详细论述了DAB变换器模态分析、工作原理和优化调制等设计重点。针对传统移相控制下DAB变换器电流应力和回流功率较大等问题，提出了全局模态下电感电流和回流功率优化控制策略，具体思想是通过模型优化求解来不断修正移相角以满足最优运行状态；针对多模块DAB变换器因器件参数导致功率不均衡和均衡度差等问题，提出了无电流传感器均衡控制策略。搭建原理样机验证优化控制的优越性，实验表明：优化控制策略实现了全模态下损耗最低的目标，变换器实际运行效率可达96.2%；无电流传感器均衡策略使得DAB模块间输出电流误差小于0.1A，达到理想均衡效果。项目发表论文11篇，其中SCI论文1篇、EI收录论文3篇、CSCD期刊论文1篇、会议论文2篇；申请国家专利5项，其中已授权3项，进入实质审查2项；培养硕士生3人，其中1人获2019年校级优秀硕士论文；组织参加国内外学术会议6次，参会人数21人。项目研究成果具有较好的扩展性和可移植性，可对分布式能源消纳、直流配电网及直流微网的发展等具有一定的指导意义和参考价值。