【摘 要】
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储能系统的大力发展,正解决着风电和光伏等新能源迅速发展造成电网随机性、间歇性和可控性差方面的问题。传统的储能系统中多数采用两电平和三电平变换器,近年推出的更优良低压功率半导体器件驱使着变换器向着更多电平数发展。针对多电平变换器研究的最新进展中具有突出代表性的两个案例显示出的可靠性和成本问题,本文定位在变换器层面去试图解决,具有较大意义。针对可靠性方面问题研究,文中提出了一种三相七电平有源整流交错飞
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储能系统的大力发展,正解决着风电和光伏等新能源迅速发展造成电网随机性、间歇性和可控性差方面的问题。传统的储能系统中多数采用两电平和三电平变换器,近年推出的更优良低压功率半导体器件驱使着变换器向着更多电平数发展。针对多电平变换器研究的最新进展中具有突出代表性的两个案例显示出的可靠性和成本问题,本文定位在变换器层面去试图解决,具有较大意义。针对可靠性方面问题研究,文中提出了一种三相七电平有源整流交错飞电容器变换器。论文首先介绍了所提出变换器的推演过程,通过交错并联工作方式,该变换器消除了混合中点箝位飞跨电容变换器中由低频换流引起的电流尖峰。接着与混合中点箝位飞跨电容变换器进行了损耗的比较性分析,得出该变换器具有更加分散的损耗。对调制原理进行的深入分析,结合串联交错的冗余性,提出了容错控制单元。基于马尔可夫链无记忆系统模型,提出了详细的可靠性推导方法,对两种变换器可靠性的比较性分析,表明该变换器具有更高可靠性。最后,结合三电平变换器的控制原理和飞跨电容变换器的调制过程,搭建了该变换器的仿真模型,设计和实现了一台三电平实验样机,设计功率密度达到了10k W/L,对该变换器系统的控制原理和设计实现可行性进行了验证,功率分析仪测量结果显示出峰值效率为98.26%、功率因数0.988,交流源端测量显示出电流THD为3.83%。针对成本方面问题研究,文中采用低成本第三代氮化镓器件以降低开关器件数量较多的多电平变换器成本。首先通过LTspice仿真双脉冲测试平台提取出半导体开关损耗数据,建立损耗拟合模型,随后比较性分析无桥图腾柱、两相交错并联和两飞跨电容单元交错串联（即图腾柱无桥三电平飞跨电容变换器）三种变换器的半导体效率及固定最大工作磁通时所需电感量等,选出最优变换器。接着详细的阐述电感的量值计算、绕组损耗建模、磁芯损耗建模,并为变换器进行优化电感设计。最后为变换器的仿真与实验部分,仿真中验证了有源Buck缓冲器工作原理,设计和实现了一台背靠背无桥图腾柱三电平飞跨电容变换器,前级实现功率因数校正功能,后级实现直流降压输出功能。验证了低成本氮化镓器件通过飞跨电容变换器串联使用方式仍具有较高的性能。
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