谐振式模块化直流变换器的高增益控制

谐振式模块化直流变换器的高增益控制

中文关键词:  模块化  高增益  谐振  直流变换器  直流电网

作者                           单位
杨晓峰                        北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
陶海波                        北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
杨帆                           北京交通大学电气工程学院, 北京 100044
张延彬                        北京交通大学电气工程学院, 北京 100044

中文摘要:
随着新能源发电并网系统发展和各类新兴直流负载出现，直流配电网得到快速发展，高增益直流变换器成为不同电压等级互联的关键设备。提出了一种基于子模块级联结构的谐振式模块化直流变换器RMDC（resonant modular DC converter）拓扑，并利用子模块电容与桥臂电感构成串联谐振回路实现能量传递，同时级联结构易于获得较高的电压增益。首先分析了RMDC工作原理及关键参数和电压增益之间的数学关系；在此基础上，提出一种高增益控制方法；最后通过仿真和实验结果验证了理论分析和高增益控制方法的有效性和正确性。

内容节选：
随着能源消耗的与日俱增和化石能源的逐渐枯竭，世界各国面临着能源结构转型。以风能、太阳能为代表的可再生能源发电占比逐步提高[1-3]。然而可再生能源往往具有波动性、间歇性等不足，常需配备一定容量的储能设备以提高其利用率，避免“弃风”“弃光”现象[4-6]。另一方面，随着电力电子技术的快速发展，负荷侧出现了越来越多的以电动汽车、数据中心和LED照明等为代表的直流设备[7-9]。在此背景下，直流电网由于可有效减少交直流转换环节，提高用电效率，同时易于接纳分布式可再生能源、储能单元，提升电能质量[10]，近年来受到了业内学者的广泛关注。
然而，由于储能单元、分布式能源等直流输出端电压较低，与输配电电压等级相差较大[11]。因此，亟需高增益直流变换器作为其接口[12-14]。传统Boost变换器在极限占空比的情况下，理论上可以获得较高电压增益，但存在二极管反向恢复、效率低和抗输入扰动能力差等问题，因此实际电压增益有限[15]。文献[16]利用级联变换器形式实现高电压增益，但控制较为复杂且级联系统稳定工作也相对困难。另一方面，采用中高频隔离变压器是实现高增益变换的一种有效方式，并一定程度上可以减小系统的体积和成本，但高频条件下变压器的磁芯损耗问题不可忽略,且存在漏感和寄生电容问题[17]。
鉴于此，本文以传统半桥双向Buck/Boost变换器为基础，通过引入子模块取代传统电路中的可控开关元件，提出并研究了一种谐振式模块化直流变换器RMDC(resonant modular DC/DC converter)及其高增益控制技术。首先分析了RMDC的基本工作原理，在数学模型的基础上，对该拓扑的增益能力进行详细分析，提出了相应的高增益控制方法，并给出系统关键控制策略。最后通过仿真和小功率实验样机对RMDC拓扑和相关理论分析进行验证。

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