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新型双向直流变换器,增益特性好,运行高效,适用于家庭储能

2020-05-22 12:00:01 电池世界   浏览次数:33

天津大学智能电网教育部重点实验室、北京动力源科技股份有限公司、国家电网公司国家电力调度控制中心的研究人员王萍、陈博、王议锋、张书槐、杨良,在2019年第8期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“一种多谐振隔离双向DC-DC变换器”),提出一种新型CDT-LC多谐振软开关双向直流变换器。

基于传统LLC谐振拓扑,通过引入辅助变压器构建新的谐振结构,不仅保留了软开关高效运行的优点,同时收获了更好的电压增益特性,实现在较宽电压增益范围仍具有较高的工作效率。此外,对拓扑的工作模态以及增益特性进行详细分析,为变换器工作模式设计提供理论依据。

在此基础上,计算分析变换器损耗的损耗分布并采用合理的优化方法提高效率。最后,建立2.5kW样机进行实验,验证了变换器的性能与理论分析的正确性,其最高效率可达97%。

目前,全球面临的能源危机和环境问题越来越严重。为了缓解这些问题,新能源发电与分布式储能发电技术受到重点关注。其中,谐振软开关直流变换器凭借其高效、低电磁干扰(ElectromagneticInterference,EMI)等特征,被广泛应用于电动汽车充放电、新能源发电、分布式家庭储能系统等需要双向功率传递的领域。

由于储能系统中所用的储能电池通常具有大容量、施加电压等级较低、电压波动较大等特点。因此,需要一种具有高电压比的双向DC-DC变换器将低压电池和高压直流母线连接起来。同时,变换器还需要较宽的增益范围调节能力以适应电池电压的变化。由此可见,高增益并且兼顾高效与宽电压范围调节能力的双向直流变换器具有极高的研究价值和推广应用前景。

目前,传统的DC-DC变换器一般分为非隔离型和隔离型两种。由于分布式储能系统需要电气隔离以保证人身和设备的安全,在此,仅针对隔离型变换器进行分析讨论。从目前已有的拓扑来看,双有源桥(DoubleActiveBridge,DAB)拓扑是最典型的拓扑结构之一,凭借其简单结构和零电压软开关(ZeroVoltageSwitching,ZVS)特性,已被广泛应用。

但DAB的运行效率稍显不足,仍具有很大的提升空间。更严重的是,当轻载运行时,将会失去ZVS特性导致效率进一步下降。因此,学者们提出许多新型拓扑和控制方法来提高效率。

有学者采用了一种新的控制方法来提高效率。有学者基于DAB拓扑提出了一种改进型拓扑拓宽了ZVS范围。但是,这些改进的控制策略较为复杂,同时对于效率的提升十分有限,仍无法满足要求部分高效应用领域的需求。

为此,有学者在DAB的基础上,运用多谐振技术提出了LLC变换器,极大地改善了变换器的效率。LLC凭借着优良的ZVS和零电流软开关(ZeroCurrentSwitching,ZCS)特性,近年来得到了广泛学者的关注。然而,美中不足的是LLC只有当开关频率在其谐振频率附近时,变换器才能获得高效率。

换言之,它的电压调节范围非常窄,其增益能力有限。同时,当LLC作反向工作时,其电压增益特性存在局限性,类似于传统串联谐振变换器(SeriesResonantConverter,SRC),不能满足电池电压的要求。

针对增益能力的问题,有学者提出了一种改进的拓扑结构,通过全桥和半桥的切换控制来实现双倍电压增益。然而该拓扑为了覆盖所有的输入电压范围,参数和磁件的设计是非常困难的。同时,有学者提出了一种改进的LLC拓扑,提高了轻载情况下的变换器效率。但是,它的增益调节范围略显不足。此外,有学者加入辅助谐振电路,并实现了高效率的增益特性。但是,这些转换器无法实现功率的双向变换。

以LLC拓扑为基础,关于功率双向变换技术的改进型拓扑研究却十分有限。有学者提出了一种可双向功率变换CLLC变换器,但CLLC变换器的增益调节能力仍然不太理想。有学者同样提出了CLTC双向多谐振变换器,得到了较高的效率同时拓宽了增益输出范围。但是,存在散热不佳、参数设计复杂等问题,并且变换器的潜力仍然未完全开发,具有进一步的研究探索空间。综上所述,现有的DC-DC变换器仍面临许多问题需要克服。

因此,本文提出了一种新型的CDT-LC变换器。它使得变换器的增益特性进一步提升同时兼顾较高的运行效率,使得变换器在更窄的频率范围内实现宽范围的输出电压调节,适用于分布式储能等场景。本文详细介绍了系统的拓扑结构和工作模态;给出了CDT-LC的增益特性分析;对CDT-LC的损耗进行了分析,并对SiC和Si器件进行相关对比;通过实验验证了理论分析的正确性与样机的性能;最后进行相关结论的总结。

结论

本文提出了一种新型CDT-LC型多谐振软开关双向直流变换器。与传统LLC拓扑相比,具有软开关特性高效的优点并获得更好的增益特性。可以通过改变频率在较窄的范围内实现较宽的电压范围输出。此外,本文还对电路的工作模态、增益特性以及损耗分布情况进行了详细分析计算,以进一步提高变换器的性能。最后,对一台额定功率2.5kW的实验样机进行了实验。

2.5kW条件下,在65~130kHz的频率范围内仍然可以实现标准电压增益在0.8~1.25的范围内调节。同时,变换器仍然能维持较高的效率,额定负载降压最高96.5%,升压最高96%,全负载范围内最高97%。宽增益范围调节和高效的特性使变换器可以适用于多种应用场合,特别是家庭储能的应用领域。

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