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部分功率变换器通信与能量管理研究

部分功率变换器通信与能量管理研究

作者：黄明扬州大学

学位级别：硕士

直流微网是由分布式能源(Distributed Energy Resources,DES)连接在相同的直流母线上并向负载和本地提供能量的可控系统。作为未来智能电网中电力传输的重要途径,直流微网能够在本地整合各种可再生能源,储能装置以及传统的交流电网。近... 详细信息

直流微网是由分布式能源(Distributed Energy Resources,DES)连接在相同的直流母线上并向负载和本地提供能量的可控系统。作为未来智能电网中电力传输的重要途径,直流微网能够在本地整合各种可再生能源,储能装置以及传统的交流电网。近年来随着直流可再生发电,储能和电力负荷的增加,直流微网系统受到了越来越多的关注。直流微网是依赖电力电子技术运行的系统,所以提高微网中电力电子设备的传输效率可以实现整个微网系统传输效率的提高。同时微网中各DES之间的通信至关重要,通过实现DES之间的信息交互,可以实现能量在电源、用电设备、储能设备三者之间高效的分配,提高微网运行的可控性与经济性。针对微网功率传输效率的问题,提出了以部分功率变换器(Partial Power Converter,PPC)实现分布式能源之间潮流的控制的方案。构建了由双有源全桥(Dual Active Bridge,DAB)和四象限DC-DC变换器级联而成的PPC拓扑。并完成了 PPC与传统全功率变换器的比较分析及数学模型的建立。完成了在SIMULINK环境下的仿真分析,实现了 PPC的电压电流控制。最后设计了实验样机,通过实验验证了该电路拓扑在潮流控制上的可行性。针对电力电子设备通信容易受干扰及微网DES数量受限制等缺点,提出了一种用直流母线作为通信媒介,以脉冲式电压作为通信方式,通过分散式管理的手段来协调各分布式能源运作的方法。系统运行时,通过主模块控制母线电压以及控制从模块来协调直流母线上能量不足和过多的情况。当母线上能量不足时控制从模块为母线传递功率,当母线上能量过多的时控制从模块从母线上汲取能量,以此来维持母线电压的恒定。主模块与不同从模块之间的通信通过不同脉宽的脉冲式电压实现,并结合下垂控制法进行多模块功率分配。通过微网中主从模块通信协议的设定实现了系统在孤岛运行时的能量管理。通过功能性实验表明,PPC样机在进行功率传递时传输效率可达到96.8%。并通过实验验证了不同等级电压之间能量的相互传递。在改变母线负载的情况下实现了主模块对从模块的控制,实现微网中的能量管理。

关键词：直流微电网部分功率变换器能量管理

一种高效率高功率密度且兼具自动均压功能的部分功率型电池储能DC-DC变换器

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中国电机工程学报 2024年

作者：李云飞杜思行党恒凯李聪刘进军西安交通大学电气工程学院

在电池储能系统领域，部分功率变换器因大幅缩减了变换器容量而具有显著优势，但宽范围调压时效率低，且电池包电压均衡的实现复杂。为此，本文基于部分功率变换器，提出了一种效率及功率密度更高，且电池包电压自动均衡的电池储能DC-D... 详细信息

在电池储能系统领域，部分功率变换器因大幅缩减了变换器容量而具有显著优势，但宽范围调压时效率低，且电池包电压均衡的实现复杂。为此，本文基于部分功率变换器，提出了一种效率及功率密度更高，且电池包电压自动均衡的电池储能DC-DC变换器。本拓扑隔离级采用两级式架构，利用CLLC型直流变压器连接各个电池包和双极性Buck电路。在拓扑中，CLLC型直流变压器提供了隔离的低阻抗通道，实现了电池包之间电压的自动均衡。同时，双极性Buck电路代替传统隔离型DCDC实现电压调节，使变换器在160-240 V宽范围调压下的效率最大提高了1.05%。此外，与现有部分功率变换器相比，本拓扑将磁元件体积和开关数量分别降低了29.72%和6个，显著提升了系统的功率密度。最后，本文分别搭建了200 V，1.5 kW的仿真和实验平台验证了本拓扑的可行性。

关键词：部分功率变换器电池储能系统电压调节电压均衡多绕组变压器

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部分功率双向DC-DC变换器拓扑结构研究

部分功率双向DC-DC变换器拓扑结构研究

作者：陶金童广州大学

学位级别：硕士

近年来,由于直流配电网、电动汽车和储能装置等的迅猛发展,传统的双向DC-DC变换器的功率密度、成本和效率等面临更严峻的挑战,部分功率变换器应运而生。与传统DC-DC变换器处理所有功率不同,由于系统输入直接传递一部分功率到负载,部分... 详细信息

近年来,由于直流配电网、电动汽车和储能装置等的迅猛发展,传统的双向DC-DC变换器的功率密度、成本和效率等面临更严峻的挑战,部分功率变换器应运而生。与传统DC-DC变换器处理所有功率不同,由于系统输入直接传递一部分功率到负载,部分功率变换器只需处理部分系统功率,增大了功率处理效率,提高了系统的整体运行效率,同时也能缩小无源元件的尺寸,大幅提高了功率密度,对于功率电子设备的轻量化、小型化发展具有重要意义。本文基于传统的双向Buck-Boost变换器和DAB变换器,分别提出了非隔离型和隔离型双向部分功率处理变换器的拓扑,并对其工作原理、数学模型和控制系统设计进行了详细分析,为实际应用中优化设计和调整提供理论依据。本文首先对双向DC-DC变换器和部分功率变换器的研究现状进行了系统的总结和梳理,针对部分功率处理技术原理及分类做了详细阐述,重点分析串联部分功率变换器的多种结构特性及优缺点,并利用状态空间平均法对输入串联输出并联(Input in series and output in parallel,ISOP)以及输入并联输出串联(Input-Parallel and Output-Series,IPOS)两种结构的部分功率变换器的建模过程进行了详细推导。然后,本文基于传统的双向Buck-Boost变换器提出了一种非隔离型部分功率双向DC-DC变换器,并对其正向反向两种运行模式的工作模态进行了详细分析,并基于状态空间平均法推导出其数学模型,通过扫频法验证了所建立模型的准确性,并基于伯德图对电压单环控制系统的设计进行了详细推导,最后通过仿真验证了该拓扑控制策略的有效性与参数设计的合理性。为了实现输入输出端的电气隔离,本文将传统的DAB变换器与功率直通通路组合提出了一种隔离型部分功率变换器拓扑,其数学模型与控制系统的设计和传统DAB变换器相类似,本文着重分析了单移相控制下该变换器的运行模态和控制系统设计,最后通过仿真验证了该拓扑控制策略的有效性。最后本文搭建了具体的非隔离型部分功率变换器实物样机,完成所提变换器控制策略的验证实验,实验结果表明所提部分功率双向DC-DC变换器的优越性和可行性。

关键词：双向DC-DC变换器拓扑结构部分功率处理部分功率变换器稳定性分析

高效率部分功率推挽变换器及其音频敏感度优化研究

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高效率部分功率推挽变换器及其音频敏感度优化研究

作者：张峻豪北京交通大学

学位级别：硕士

航天技术是象征一个国家科学进步和技术创新的重要领域。在航天器一次电源系统中,电源调节器连接着源、载和储能装置,对系统运行起着至关重要的作用。为了保证航天一次电源系统中蓄电池的使用寿命,确保航天器的供电安全和可靠性并提高... 详细信息

航天技术是象征一个国家科学进步和技术创新的重要领域。在航天器一次电源系统中,电源调节器连接着源、载和储能装置,对系统运行起着至关重要的作用。为了保证航天一次电源系统中蓄电池的使用寿命,确保航天器的供电安全和可靠性并提高其能量利用效率和功率密度,需要电源调节器中电池充放电调节器具有非隔离、输入输出电流连续和高效率的特点。针对此需求,本文研究了一种部分功率处理的变换器结构,这种变换器存在一条从输入侧直连到输出侧,不经过电力电子装置的功率传输路径,所以该类变换器具备非隔离和高效率的特点,并且可以通过部分功率处理单元的选择实现输入输出电流连续。首先,由于推挽变换器开关管数目少,控制简单,等效开关频率高的优点,本文对部分功率变换器中的部分功率处理单元采用推挽结构,并针对推挽结构中四绕组变压器的磁偏问题,将其简化为两绕组的形式。根据所得到的两绕组非隔离型部分功率处理单元,形成三种部分功率推挽变换器结构,分析其各自电路特性,并在此基础上进行变换器建模。基于以上分析,搭建了三种变换器的PSIM仿真模型进行理论的验证,并分析了采用实际变压器模型时电路特性的差异。其次,由于航天电源系统是一个级联系统,所以其还要考虑前级变换器输出电压的稳定性问题,以避免对后级变换器工作产生干扰。音频敏感度表征变换器输出侧对输入侧电压扰动的抗干扰能力,而部分功率变换器由于其输入侧到输出侧直连路径的存在,会导致其输出侧抗干扰下降,音频敏感度较高。本文针对该问题,运用电感电容参数设计、电压前馈控制和闭环控制三种方式对变换器音频敏感度进行优化。通过比较音频敏感度伯德图中的幅频特性来判断每种方式的优化效果,给出了各变换器在不同频段下最优的音频敏感度优化方案,并通过PSIM进行了相应的音频敏感度扫频验证。最后,在设定的输入电压为45V,输出电压为67.5V的工况下,对硬件电路进行相应的设计,对音频敏感度优化方式不同的两种变换器搭建了两台100W的实验样机。利用所搭建的硬件实验平台,首先对两种变换器的电路特性进行了实验验证。之后通过在DC-DC变换器输入侧串联进一定频率和幅值的电压扰动,比较输出侧对应频率的电压扰动幅值的方式,实验验证了不同优化方式下音频敏感度的优化效果。

关键词：航天一次电源系统部分功率变换器音频敏感度输入电压扰动电压前馈控制

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面向直流配电系统的光伏并网方式的研究

面向直流配电系统的光伏并网方式的研究

作者：陈佳玺浙江大学

学位级别：硕士

与传统交流配电系统相比,直流配电网在供电容量、电能质量、线路损耗、新能源与直流负载适配等方面具有突出的优势,因而在能源互联网发展的大势下成为广泛关注的焦点。特别是随着光伏为代表的新能源渗透率的提高,传统交流配电网难以做... 详细信息

与传统交流配电系统相比,直流配电网在供电容量、电能质量、线路损耗、新能源与直流负载适配等方面具有突出的优势,因而在能源互联网发展的大势下成为广泛关注的焦点。特别是随着光伏为代表的新能源渗透率的提高,传统交流配电网难以做到高效与稳定的消纳,选择将其接入直流配电系统,将成为未来智能电网中重要的能源汇集发展途径。因此,研究具有高效率、低成本且可靠稳定的光伏直流并网方式对构建坚强的区域智能配电系统具有深远的意义。本文在直流配电系统的应用背景下,提出了两种光伏直流并网方式,分别适用于光伏大容量接入中压直流配电网的场景以及光伏分布式接入低压直流配电网的场景。这两种光伏并网方式均以直流换流器为基础,通过设计合适的拓扑连接方式与控制策略,使光伏直流并网系统具有高效率、低损耗、高可靠性的特点。本文针对光伏大容量接入中压直流配电网的场景,提出了一种基于模块化LLC谐振换流器的光伏中压并网方式,设计了并网系统的详细拓扑结构,对模块化换流器的子模块进行了具体的分析和拓扑选择。根据光伏电池特性,本文设计了系统的运行参数和子模块的结构参数,并研究了模块化LLC谐振换流器的运行特性,作出了子模块的运行曲线。在对并网系统进行电磁暂态仿真时,搭建了光伏等效仿真模块,并针对模块化换流器仿真速度过慢的问题,采用一种优化的等效仿真模型,研究了仿真模型的两种运行工况和四种工作阶段。由于等效优化模型无需采用大量的开关器件,降低了系统节点导纳的阶数,在保证仿真精度的同时大幅提高系统仿真速度,避免了之后控制调试的困难。通过对子模块运行特性的研究,本文设计了一套由电压指令生成部分和频率控制部分组成的控制系统,在维持子模块均压和均流的同时,实现了对光伏发电单元的最大功率跟踪。通过系统的仿真,验证了所提出的光伏中压直流并网系统的可行性与控制系统的有效性。为适应于光伏分布式接入低压直流配网的场景,本文提出了一种基于部分功率变换器的光伏低压直流并网方案,可以有效实现局部阴影条件下的光伏分布式最大功率跟踪。由于系统采用部分功率变换器,只需处理差额功率,大大减少了系统的运行损耗,节约了设备的容量成本。本文研究了局部阴影情况下光伏阵列的特性,并设计了系统中所运用的电压补偿器和电流补偿器的结构,能够补偿相邻组件之间或组件与直流母线间的不平衡量,以实现功率匹配。本文通过对部分功率变换器运行特性的研究,提出了系统的控制策略。最后,由仿真研究验证了基于部分功率变换器的系统能够在低运行损耗的同时实现组件级的光伏最大功率跟踪,提高光伏低压直流并网系统的效率。

关键词：光伏直流并网直流配电系统模块化DC/DC换流器 LLC型谐振换流器优化建模局部阴影部分功率变换器拓扑结构光伏最大功率跟踪控制系统