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新型雙向直流變換器,增益特性好,運行高效,適用于家庭儲能

來源:鉅大LARGE    2019-06-29    點擊量:225

天津大學智能電網教育部重點實驗室、北京動力源科技股份有限公司、國家電網公司國家電力調度控制中心的研究人員王萍、陳博、王議鋒、張書槐、楊良,在2019年第8期《電工技術學報》上撰文(論文標題為“一種多諧振隔離雙向DC-DC變換器”),提出一種新型CDT-LC多諧振軟開關雙向直流變換器。

基于傳統LLC諧振拓撲,通過引入輔助變壓器構建新的諧振結構,不僅保留了軟開關高效運行的優點,同時收獲了更好的電壓增益特性,實現在較寬電壓增益范圍仍具有較高的工作效率。此外,對拓撲的工作模態以及增益特性進行詳細分析,為變換器工作模式設計提供理論依據。

在此基礎上,計算分析變換器損耗的損耗分布并采用合理的優化方法提高效率。最后,建立2.5kW樣機進行實驗,驗證了變換器的性能與理論分析的正確性,其最高效率可達97%。

目前,全球面臨的能源危機和環境問題越來越嚴重。為了緩解這些問題,新能源發電與分布式儲能發電技術受到重點關注。其中,諧振軟開關直流變換器憑借其高效、低電磁干擾(ElectromagneticInterference,EMI)等特征,被廣泛應用于電動汽車充放電、新能源發電、分布式家庭儲能系統等需要雙向功率傳遞的領域。

由于儲能系統中所用的儲能電池通常具有大容量、施加電壓等級較低、電壓波動較大等特點。因此,需要一種具有高電壓比的雙向DC-DC變換器將低壓電池和高壓直流母線連接起來。同時,變換器還需要較寬的增益范圍調節能力以適應電池電壓的變化。由此可見,高增益并且兼顧高效與寬電壓范圍調節能力的雙向直流變換器具有極高的研究價值和推廣應用前景。

目前,傳統的DC-DC變換器一般分為非隔離型和隔離型兩種。由于分布式儲能系統需要電氣隔離以保證人身和設備的安全,在此,僅針對隔離型變換器進行分析討論。從目前已有的拓撲來看,雙有源橋(DoubleActiveBridge,DAB)拓撲是最典型的拓撲結構之一,憑借其簡單結構和零電壓軟開關(ZeroVoltageSwitching,ZVS)特性,已被廣泛應用。

但DAB的運行效率稍顯不足,仍具有很大的提升空間。更嚴重的是,當輕載運行時,將會失去ZVS特性導致效率進一步下降。因此,學者們提出許多新型拓撲和控制方法來提高效率。

有學者采用了一種新的控制方法來提高效率。有學者基于DAB拓撲提出了一種改進型拓撲拓寬了ZVS范圍。但是,這些改進的控制策略較為復雜,同時對于效率的提升十分有限,仍無法滿足要求部分高效應用領域的需求。

為此,有學者在DAB的基礎上,運用多諧振技術提出了LLC變換器,極大地改善了變換器的效率。LLC憑借著優良的ZVS和零電流軟開關(ZeroCurrentSwitching,ZCS)特性,近年來得到了廣泛學者的關注。然而,美中不足的是LLC只有當開關頻率在其諧振頻率附近時,變換器才能獲得高效率。

換言之,它的電壓調節范圍非常窄,其增益能力有限。同時,當LLC作反向工作時,其電壓增益特性存在局限性,類似于傳統串聯諧振變換器(SeriesResonantConverter,SRC),不能滿足電池電壓的要求。

針對增益能力的問題,有學者提出了一種改進的拓撲結構,通過全橋和半橋的切換控制來實現雙倍電壓增益。然而該拓撲為了覆蓋所有的輸入電壓范圍,參數和磁件的設計是非常困難的。同時,有學者提出了一種改進的LLC拓撲,提高了輕載情況下的變換器效率。但是,它的增益調節范圍略顯不足。此外,有學者加入輔助諧振電路,并實現了高效率的增益特性。但是,這些轉換器無法實現功率的雙向變換。

以LLC拓撲為基礎,關于功率雙向變換技術的改進型拓撲研究卻十分有限。有學者提出了一種可雙向功率變換CLLC變換器,但CLLC變換器的增益調節能力仍然不太理想。有學者同樣提出了CLTC雙向多諧振變換器,得到了較高的效率同時拓寬了增益輸出范圍。但是,存在散熱不佳、參數設計復雜等問題,并且變換器的潛力仍然未完全開發,具有進一步的研究探索空間。綜上所述,現有的DC-DC變換器仍面臨許多問題需要克服。

因此,本文提出了一種新型的CDT-LC變換器。它使得變換器的增益特性進一步提升同時兼顧較高的運行效率,使得變換器在更窄的頻率范圍內實現寬范圍的輸出電壓調節,適用于分布式儲能等場景。本文詳細介紹了系統的拓撲結構和工作模態;給出了CDT-LC的增益特性分析;對CDT-LC的損耗進行了分析,并對SiC和Si器件進行相關對比;通過實驗驗證了理論分析的正確性與樣機的性能;最后進行相關結論的總結。

結論

本文提出了一種新型CDT-LC型多諧振軟開關雙向直流變換器。與傳統LLC拓撲相比,具有軟開關特性高效的優點并獲得更好的增益特性。可以通過改變頻率在較窄的范圍內實現較寬的電壓范圍輸出。此外,本文還對電路的工作模態、增益特性以及損耗分布情況進行了詳細分析計算,以進一步提高變換器的性能。最后,對一臺額定功率2.5kW的實驗樣機進行了實驗。

2.5kW條件下,在65~130kHz的頻率范圍內仍然可以實現標準電壓增益在0.8~1.25的范圍內調節。同時,變換器仍然能維持較高的效率,額定負載降壓最高96.5%,升壓最高96%,全負載范圍內最高97%。寬增益范圍調節和高效的特性使變換器可以適用于多種應用場合,特別是家庭儲能的應用領域。

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