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基于模块化磁集成DC-DC的SPS高压功率变换关键技术研究

2019-11-05 10:18:47 来源:电子变压器与电感网

针对空间太阳能电站高效率、高功率密度和高可靠性高压电能变换、超大功率电力传输与管理的需求,本文以空间高压大功率电力变换系统的电路拓扑、结构优化设计以及高压固态断路器为研究对象,分析了常见的空间太阳能电站的电源管理和分配方式,提出一种新型混合式电源系统结构。

      受困于全球性的环境与能源危机,各国政府越来越多的将目光和精力聚焦于能源的可持续发展和利用。太阳能资源以其丰富、清洁、取之不竭的特点,得到了全球范围学者和研究人员的青睐,在地面光伏发电和光热发电领域取得了诸多研究成果和应用。空间环境的太阳能辐射强度可数倍于地面,尤其在地球同步轨道,99%的时间内可稳定接收较强的太阳能辐射[1-3]。因此很多国家和学者先后提出建设空间太阳能电站(SPS-Solar Power Satellite)的构想,但由于空间太阳能电站过于庞大,其重量、体积、面积均受发射能力的严格限制,且空间环境下的装配和维护、电源管理、热控、能量传输控制等均非常复杂和困难,至今,仍未有国家能够建立起一个完整的试验系统。
      随着科技发展的日新月异,近些年,空间太阳能电站概念再次受到国际的广泛关注,美国计划于2020年实现10MW系统的空间验证,日本也提出在2030年实现1GW商业系统运行的技术路线图。此外,欧洲航天局(ESA)于2002年8月组建了欧洲空间太阳能电站研究网[4]。我国亦同步启动了空间太阳能电站的预研,发电功率以GW级为目标,较之目前卫星电源高出6个数量级。
      现有文献[5-8]关于空间太阳能技术的研究重点多集中在高效多层太阳能电池、薄膜太阳能电池、高效微波转化器、轻型大型空间结构等先进技术上,而针对空间环境下的电源架构及管理、高效率高压变换技术却鲜有涉及,而空间环境下的电力变换系统,由于受制于特殊的辐射环境,可适用的开关管器件电压等级多在400V以下,考虑2倍降额,目前的宇航器件适用于200V以下的母线,而空间太阳能电站的功率高达GW级,其母线电压可达数KV,因此深入研究与此电压等级配套的空间高压直流变换技术及电源管理技术,对整个空间太阳能电站系统有着至关重要作用。
      基于此,本文面向太空发电站高压变换和超大功率电力传输与管理需求,开展适用于空间环境的大功率高压、高效、高功率密度电力变换技术研究。首先分析了两种常见的空间太阳能电站的电源管理和分配方式,对比其优缺点,构建出三种适用于空间太阳能电池阵的电力传输母线结构,在此基础上,提出基于太阳能电池分阵和子阵供电的高压变换拓扑和结构,采用模块化多变换器串并联组合策略,实现高压变比、低损耗、高功率密度的大功率电力变换和高效率太阳能发电阵的最大功率输出。通过对有源双向全桥、普通移相全桥、LLC谐振变换器等拓扑进行仿真比较,优化拓扑方案设计。最后,进行了高压变换拓扑模块化设计、变换器空间散热设计研究,依托地面环境设计制作了可适用于空间环境的多模块组合高压样机,并提出可以保证每一个子模块在复杂工况下都能够均衡稳定运行的策略,实验验证了采用低压模块化多变换器串并联组合系统,可以实现高效率高压变换,为进一步开展空间大功率高压电力变换系统的设计和实验,提供了理论基础和工程实践,推进了MW级空间发电站电力变换与电源管理系统的研究进展。

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