基于双输入双降压式逆变器的准单级DC/AC系统

成果名称

基于双输入双降压式逆变器的准单级DC/AC系统

成果联系人

杨帆

职称

讲师

所在单位

自动化学院、人工智能学院

联系电话

Email

Fanyang13@126.com

技术成熟度

原理样机

技术分类

其他

核心专利号

ZL201510606400.1

所属学科方向

一级学科

电气工程

二级学科

电力电子与电力传动

应用行业

航空、新能源发电系统

项目概况：

随着新能源发电、交通电气化、电气节能、智能电网以及多电/全电飞机、舰船等领域的高速发展，对逆变器的可靠性、效率和功率密度等方面的要求也在不断提高。研究和探索具有高可靠性、高效率、高功率密度并能连接多个能源端口的逆变器拓扑、调制控制策略及优化的系统架构具有重要的理论研究意义和实际应用价值。

首先，双输入降压式逆变器除具有无桥臂直通风险，续流电流不经过体二极管等双降压式逆变器（Dual-Buck   Inverter，DBI）固有的优点外，还可同时连接多个直流输入源，以构成多输入源联合供电系统，实现分布式发电能源的最大化利用或者保证供电的可靠性、连续性和平稳性。但是，对系统生成双输入双降压式逆变器（Dual-Input   Dual-Buck Inverter，DI-DBI）拓扑的方法还没有形成，因此，研究DI-DBI的拓扑生成方法，并以此生成一系列新型高性能DI-DBI电路拓扑，为相关应用提供更好地解决方案，具有重要理论意义和实际应用价值。

其次，新能源发电系统初期投资大、发电成本高，逆变器效率的提高有助于缩短成本回收周期，更快地创造经济和社会效益。多电/全电飞机及航空航天供电系统中，为减小运行和发射成本，对供电设备的效率和功率密度的要求尤为苛刻。而目前广泛使用的两级式逆变器架构由于全部功率需要经过两级处理，系统定额和成本高、效率及功率密度低。因此，减小功率变换的级数是提高逆变器效率和功率密度的有效措施，具有重要研究和实用价值。双输入降压式逆变器可以连接两个直流端口，可以用于构建准单级DC/AC系统，从而减小系统功率变换级数，提高系统效率。因此，研究基于双输入降压式逆变器的准单级DC/AC系统架构对减小逆变系统成本、提高逆变系统的效率和功率密度有主要意义。

关键技术：

针对现有DI-DBI拓扑衍生方法的缺失，提出了DI-DBI电路拓扑的两类系统生成方法——脉冲电压源(Pulsating Voltage Source Cell, PVSC)替代法和直流电压源替代法。脉冲电压源替代法以双输入直流变换器为基础，构造了双输入脉冲电压源单元，包括正单元和负单元。在此基础上，通过将传统DBI中的单输入脉冲电压源单元替换为双输入脉冲电压源单元，推导出一系列DI-DBI电路拓扑，包括两象限型、四象限型、非隔离型、隔离型等。直流电压源替代法则通过将传统逆变器中的单输入直流电压源替代为双输入直流电压源，推导得到了一族DI-DBI电路拓扑。

图1正向双输入脉冲电压源单元（P-PVSC）

图2负向双输入脉冲电压源单元（N-PVSC）

(a) Buck型

 (b) 正激型

图3采用不同正向PVSC构成的两象限DBI

图4采用P-PVSC和N-PVSC构成的四象限DBI

针对现有两级式DC/AC系统功率两级处理、效率较低的问题，提出了基于DI-DBI的准单级DC/AC系统架构。将DI-DBI中的一个端口作为直流母线，另一端口作为输入端口，构建了准单级DC/AC系统，以进一步提高DC/AC系统的效率。从PVSC替代法和直流电压源替代法生成的单相两象限DI-DBI种选取典型电路DB6和DB5，对两种电路及其构建的准单级DC/AC系统进行了深入研究。详细分析了电路的工作原理，提出了适用于DI-DBI的电压自适应载波层叠SPWM调制策略，分析了系统的单级功率传输比，实验测试了系统的稳态、动态性能及效率。分析和实验结果表明，与传统两级式DC/AC系统相比，准单级DC/AC系统可以实现大部分功率的单级转换，减小了前级Boost变换器的定额和损耗，系统效率更高。

图5基于DI-DBI的转单机DC/AC系统

应用领域和市场前景：

基于DI-DBI构建了准单级DC/AC系统架构，解决了传统两级式DC/AC系统架构功率两级变换、系统效率较低的问题；此外，DI-DBI的多电平作用有助于减小开关管的应力和损耗，进一步提高了系统的效率。同时，系统保留了双输入降压式逆变器除具有无桥臂直通风险，续流电流不经过体二极管等双降压式逆变器固有的优点，可靠性高。因此，本设计特别适用于航空航天，新能源发电等要求高效率、高可靠性的场合。

合作方式（技术转让，技术开发，技术服务，技术咨询，技术入股）：

*技术转让
   *技术开发

*技术咨询

*技术服务
   *技术入股

图片：（1-5张，文件大小不低于1MB，图片清晰，并标注图片说明）

图6 DI-DBI(DB6)与传统DBI效率对比

图7 基于DI-DBI(DB6)的准单级和传统两级式DC/AC系统测试效率对比