逆变系统前端变换器概述

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1、逆变系统前端变换器概述第一章绪论1.1课题的研究背景及意义随着经济全球化进程的加快和工业经济的迅猛发展，对能源的需求量急剧增加，在全球范围内能源问题也日益突出。一方面，作为传统能源的煤炭、石油、天然气等不可再生资源越来越紧缺；另一方面，大量的开发及使用传统化石燃料产生了酸雨、温室效应，PM2.5超标等环境问题。如何让能源、环境适应社会的可持续发展需求已经成为全球的热点问题。解决能源问题的有效途径是依靠科学技术的发展大规模地开发和利用可再生的绿色能源[1-4]。在新能源发电系统，燃料电池发电系统以及储能系统中，系统储能

2、装置电压很低，为满足并网发电或为本地负载供电的需求，通常需要电压增益高达10倍以上的直流变换器将其升压到较高的直流电压后经逆变器输出以供给负载。图1-1所示为一风光互补型的可再生能源供电系统图。当阳光充足时，太阳能通过光伏电池板转化为电能。当风力强劲时，风能通过风能电机转化为电能，通过升压型直流变换器将装置电压升至直流母线电压360VDC。其能量可以通过DC-AC变换器提供给负载使用，也可以通过并网DC-AC变换器给电网提供。有多余的能量则可以通过双向变换器对蓄电池或超级电容等储能装置进行储能，或者也可以给水电解器供

3、电，以电解水产生氧气和氢气。氢气可以用来储存，在缺少阳光或风力较弱的时候供给燃料电池发电，以满足负载的需求。由于系统输入功率有限，为了充分利用光伏、风力发电和燃料电池产生的能量，这显得对前端变换器的转换效率尤其重要。综上所述，在未来小型分布式新能源发电系统、燃料电池发电系统以及储能系统等领域，适用于中小逆变系统场合的前端直流变换器的研究成为重要环节，此类变换器具有高增益高效率的特点。1.2逆变系统前端变换器的研究现状由于受开关管电压应力、转换效率等因素的制约，传统的Boost、Buck-Boost等升压型的变换器很难

4、实现高增益。图1-2、图1-3所示分别为传统的Boost、Buck‐Boost电路。Boost、Buck‐Boost变换器电压增益可分别表示为1/(1-D)、D/(1-D)。通过两者电压增益表达式反应出要实现高电压增益则需宽占空比导通，然而在宽占空比导通、高压输出的条件下二极管的反向恢复会带来严重的开关损耗及电磁干扰等问题。针对传统的Boost、Buck-Boost变换器应用在新能源低压供电系统中的问题，国内外的研究学者提出了多种对传统的Boost、Buck‐Boost进行改善的方案，主要包括有采用耦合电感、增加开关

5、电容网络、以及交错并联等[5‐13]。文献[5-6]提出的三电平Boost变换器如图1-4所示。其电压增益是传统的Boost变换器的两倍，而其开关管电压应力则是传统的Boost变换器的一半，导通损耗也更小，EMI性能更好，因此三电平Boost变换器更适合于低压输入高压输出的场合。但是它也具有开关管硬开通、输出二极管反向恢复严重的缺点，输出电压增益仍然有限，不适用于电压等级很高(如12V-380V的转换)的场合。采用耦合电感的方式可以提升Boost变换器的电压增益，但引进耦合电感会加重漏感的比例，从而带来严重的开关管关

6、断电压尖峰问题，且降低了变换器的转换效率。针对耦合电感而出现的尖峰问题，文献[7]则提出了用耦合电感与Boost变换器串联的输出方式来实现高电压增益，如图1-5(a)所示。该电路可将开关管漏源电压箝位在Boost输出电压，但其断续的输入电流，不仅需要并联较大的滤波电容，同时减少了蓄电池等储能设备的使用寿命。文献[8-9]在耦合电感的基础上提出了Boost与Flyback相结合的变换器，如图1-5(b)所示。该变换器将Boost的电感与flybak的变压器集合成一个耦合电感，两者共用一个开关管，输出电压串联以供负载。电

7、路结构简单，电压增益高，而且充分的利用了漏感的能量，限制了开关管的电压尖峰。.第二章非隔离型Flyback-Boost直流变换器2.1引言针对传统Boost变换器应用在新能源低压供电系统中的问题，本章在文献[8]提出Boost与Flyback相结合的变换器(Boost-Flybackconverter,BFC)的基础上，结合文献[12]所提出的减少能量重复传递的思想：部分的输入功率通过旁路直接到输出，提出一种非隔离型Flyback-Boost高增益直流变换器。该变换器相当于Flyback变换器变压器原边电感和Boos

8、t变换器电感共用，保留了传统Flyback变换器器件数目少，电路结构简单的优点。与文献[8]所提变换器一样都采用传统P控制调节输出电压，但本文所提变换器电压增益和效率更高。文献[13]采用两路交错BFC可以得到高的电压增益；DCM模式下变频控制可以实现开关管零电压开关得到高的工作效率；但开关管ZVS的实现要求电路工作在DCM模式，这使得其在小功