航天器电源系统、独立新能源发电系统、直流微网等新的应用需求不断提出,促进了对新型变换器拓扑及系统架构的研究和探索。为了适应未来航天器电源系统日益增长的高功率密度、高可靠性和模块化的发展需求,本文对高性能三端口变换器(Three-Port Converter,TPC)的拓扑以及基于模块化TPC的系统架构和功率控制策略展开研究,旨在为航天器电源变换系统提供高效、灵活的解决方案。提出了一类新颖的部分隔离型TPC电路拓扑,其拓扑推演的基本思路是:将两端口交错并联Buck/Boost变换器桥臂中点所产生的高频脉动电压,经无桥Boost整流单元整流后得到稳定可控的直流电压作为第三个功率端口,并通过加入功率变压器实现端口之间的电气隔离。选取其中典型拓扑对其工作原理和输出特性进行深入分析,详细推导软开关实现条件和范围,并给出原边脉宽调制和副边移相控制结合的功率控制方法。采用上述控制方法,实现了原副边端口控制之间的近似解耦,且原边两路Buck/Boost变换器始终交错180°工作使得输入电流纹波大大降低;原副边开关管和二极管均实现了软开关,进一步提高了变换器的效率。随着输入功率或输出功率的变化,变换器可以在单入单出、双输入和双输出等三种状态下稳定运行且能够完成自由切换,同时保持输出母线电压的稳定,满足航天器负载供电的需求。研究了模块化三端口变换器(Modular Three-Port Converter,MTPC)并联应用的系统架构及功率控制策略。由于TPC含有三个功率端口,在构建模块化电源系统时具有很大的灵活性,从而可以得到多种不同结构形式的MTPC系统,以满足不同应用场合的供电需求。三端并联连接是MTPC系统最基本的结构形式。分析了三端并联式MTPC系统的运行状态和功率控制需求,给出了三端并联式MTPC系统功率控制的基本思想:对其中两个功率端口同时进行均流控制,剩余第三个端口自由且根据能量守恒能够自动实现均流。由于MTPC并联系统与传统两端口变换器并联系统均流控制的本质一致,现有均流控制技术均可推广应用于MTPC并联系统。以储能端和输出端同时均流为例,给出了基于平均电流法均流技术的系统功率控制方案及实现方式。提出了一种源端分布式MTPC系统架构及其功率控制方法。系统特点是:各TPC模块的输入端相互独立并分别连接分布式输入源,可以实现所有输入源的最大功率点跟踪。深入分析了该系统的工作状态和功率控制需求,提出了一种新型混合功率控制策略及其实现方式,其基本思想是:在储能装置处于放电状态时采用储能端均流、在储能装置处于充电状态时按照各自输入功率分配输出端功率。采用所提出的功率控制方法,源端分布式MTPC系统可以稳定运行并能够实现在所有工况下各个端口功率的优化管理与分配。提出了一种负载端分布式MTPC系统架构及其功率控制方法。系统特点是:负载侧不需要公共直流母线,各TPC模块的输出端相互独立并分别直接连接分布式负载,实现源端和储能端到负载端的单级功率变换,并满足不同负载的独立性和差异性供电需求。详细分析了该系统的工作状态和功率控制需求,提出了一种新型混合功率控制策略及其实现方式,其基本思想是:在储能装置处于充电状态时采用储能端均流、在储能装置处于放电状态时按照各自输出功率分配输入端功率。采用所提出的功率控制方法,负载端分布式MTPC系统可以稳定运行并能够实现在所有工况下各个端口功率的优化管理与分配。针对以上研究,分别搭建了相应的系统平台,并进行了充分的仿真和实验验证,验证了分析的正确性和可行性。