單移相控制下直流變壓器的效率優(yōu)化和軟開關(guān)特性優(yōu)化

陳昱瑋　劉毅力

摘? 要：近年來，能源需求與不可再生能源短缺的矛盾日漸突出，為了解決這個問題，國家大力發(fā)展新能源應(yīng)用，添加儲能系統(tǒng)以提高輸出的穩(wěn)定性，儲能系統(tǒng)有充電和放電兩種工作模式，要求其接入電路需具備能量雙向流動的能力。文章通過調(diào)節(jié)DC/DC直流變壓器的橋間角φ和諧振電感L的大小，減小直流變壓器的器件電流應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：單移相控制;DC/DC直流變壓器;電流應(yīng)力

中圖分類號：TM41? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）21-0064-02

Abstract： In recent years， the contradiction between energy demand and the shortage of non-renewable energy has become increasingly prominent. In order to solve this problem， the state has made great efforts to develop new energy applications and add energy storage systems to improve the stability of output. The energy storage system has two working modes： charging and discharge， which requires its access circuit to have the ability of two-way energy flow. In this paper， the device current stress of DC transformer is reduced by adjusting the bridge angle φ and vibration inductance L of DC/DC transformer.

Keywords： single phase shift control; DC/DC transformer; current stress

1 背景簡介

隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速增長，各行各業(yè)需要能源的儲量來推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但不可再生能源的短缺是一個十分棘手的問題，為提升產(chǎn)業(yè)和促進(jìn)國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于新型能源發(fā)電的要求越來越迫切，由于外界環(huán)境如光照不連續(xù)、風(fēng)能不連續(xù)，使得新能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出不穩(wěn)定，供能系統(tǒng)的供電方式也不穩(wěn)定，為解決上述問題，基于DAB拓?fù)涞母哳l隔離DC/DC變換器儲能系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，DAB拓?fù)淇蓪崿F(xiàn)能量雙向流動的功能，滿足儲能系統(tǒng)充電和放電的要求[1]。

電力電子變壓器又稱固態(tài)變壓器或智能變壓器，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，雙向DC/DC變換器的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，因此基于DAB拓?fù)浔粡V泛應(yīng)用于各種拓?fù)洌鐑δ茏兞髌鳌⒅绷鞑煌ｋ婋娫聪到y(tǒng)中的儲能回路、ISOP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子變壓器、電動汽車儲能系統(tǒng)等[2]。

由于分布式能源自身沒有儲存能量的功能，因此儲能環(huán)節(jié)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中十分關(guān)鍵。在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)力或日光足夠時，控制器控制雙向DC/DC變換器將多出的能量存儲到蓄電池組中;當(dāng)風(fēng)力或陽光不足時，蓄電池通過雙向DC/DC變換器向負(fù)載提供電能，進(jìn)而保證了穩(wěn)定可靠地光伏和風(fēng)力供電。

能量路由器也有著廣泛的應(yīng)用，由于可提供多個接口的能源轉(zhuǎn)換接口，可承接風(fēng)能、光伏和其他能源，且由于電力電子變壓器具有自動隔離故障、自動實現(xiàn)電氣隔離、可控自由度多等優(yōu)點，電力電子變壓器被認(rèn)為是能量路由器核心設(shè)備的理想選擇。在推動清潔能源和新型能源逐步取代化石能源的過程中，如何以最小的代價實現(xiàn)清潔能源就地與電網(wǎng)同步實現(xiàn)消納是當(dāng)前研究的重點。

雙有源橋直流變換器非常優(yōu)異的對稱結(jié)構(gòu)、可集成較高的功率密度、利用諧振電感可實現(xiàn)的零電壓開關(guān)、雙向能量傳輸能力以及多自由度移相控制等固有優(yōu)勢，從提出時起便成為DAB拓?fù)洌贒AB的直流變壓器拓?fù)涫疽鈭D如下：

2 DAB控制方法的優(yōu)化

2.1 DAB拓?fù)涞膬?yōu)勢和改良

雙有源橋雙向DC/DC變換器因其可實現(xiàn)較高的功率密度，可極大減小系統(tǒng)的體積和損耗，若在DAB全橋模塊的兩端增加合適的電容，通過電感與電容產(chǎn)生諧振，可使對角的開關(guān)IGBT器件兩端電壓變?yōu)?，成功實現(xiàn)零電壓開關(guān)特性，同時，DAB拓?fù)淇蓪崿F(xiàn)功率雙向傳遞，并可通過調(diào)節(jié)移相角φ，改變諧振電感，提高直流變壓器的運行效率，降低器件的電流應(yīng)力，降低器件的通態(tài)損耗與開關(guān)損耗。設(shè)變壓器原邊的電源電壓值為V1，副邊為V2，定義DAB拓?fù)涞耐庖葡啾葹椋?/p>

2.2 單移相條件下運行工況的限定優(yōu)化

隨著諧振電感L和移相比D的變化，I2顯然有最優(yōu)的工作區(qū)間，通過尋找到使其最小區(qū)間，在保證傳輸功率P穩(wěn)定的情況下，尋找到最優(yōu)的L和D組合。副邊電流應(yīng)力與D和L變化關(guān)系如圖2;輸出功率P2與諧振電感L和移相比D的變化如圖3。

當(dāng)副邊電壓是定值時，變化規(guī)律和副邊電流是相近的;當(dāng)副邊為負(fù)載時，可能會出現(xiàn)電壓波動現(xiàn)象，故要在保證一定傳輸功率的條件下，相對程度上減小電流應(yīng)力，降低損耗。依圖2、圖3所示，若保持傳輸功率在800W左右，諧振電感L的取值約400mH左右，移相比D可選擇0-0.2，此時功率的能力相對較高，且器件損耗相對較小。

經(jīng)調(diào)節(jié)后運行工況仿真圖如圖4所示。

由圖4可知，在維持輸出功率穩(wěn)定的條件下，整個拓?fù)涮幱谝粋€相對良好的工作狀態(tài)，電流應(yīng)力相對較小，通過對移相比D和諧振電感L工作范圍進(jìn)行限制，降低了器件損耗，提高了整個拓?fù)涞倪\行穩(wěn)定性。

3 直流變壓器寄生參數(shù)對工作狀態(tài)的影響

當(dāng)IGBT視為非理想器件時，器件的寄生電容會對DAB拓?fù)涞墓ぷ鳟a(chǎn)生較大的影響，將寄生參數(shù)分別擴(kuò)大為原來的150%，200%和500%，觀察和器件寄生電容分別對DAB拓?fù)涔ぷ鳡顟B(tài)的影響。

將器件的寄生電容擴(kuò)大為原來的150%，200%和500%，工作波形如圖5。

通過波形分析，可看到IGBT器件寄生電容對單移相工作狀態(tài)下的電感電流和工作電壓的狀態(tài)沒有太大影響。

4 結(jié)束語

為使DAB拓?fù)涞闹绷髯儔浩鞣€(wěn)定運行，通過調(diào)節(jié)輔助電感L和移相比D的范圍，能夠在保證傳輸功率的條件下盡可能的減小器件電流應(yīng)力，進(jìn)而減小器件的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗;若DAB的H橋的換流器件IGBT是非理想的，那么必須要考慮器件兩端的寄生電容，通過將寄生電容擴(kuò)大到原來的150%，200%和500%，輸出電流波形和輸出電壓波形基本不受影響，說明器件的寄生電容對單移相工況下的工作狀態(tài)基本不影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術(shù)研究、應(yīng)用及發(fā)展[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（15）：3-14.

[2]劉振亞，張啟平，董存，等.通過特高壓直流實現(xiàn)大型能源基地風(fēng)、光、火電力大規(guī)模高效率安全外送研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（16）：2513-2522.

[3]林衛(wèi)星，文勁宇，程時杰.直流-直流自耦變壓器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2014，34（36）：6515-6522.