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单移相控制下直流变压器的效率优化和软开关特性优化

范文

陈昱玮　刘毅力

摘? 要：近年來，能源需求与不可再生能源短缺的矛盾日渐突出，为了解决这个问题，国家大力发展新能源应用，添加储能系统以提高输出的稳定性，储能系统有充电和放电两种工作模式，要求其接入电路需具备能量双向流动的能力。文章通过调节DC/DC直流变压器的桥间角φ和谐振电感L的大小，减小直流变压器的器件电流应力。

关键词：单移相控制;DC/DC直流变压器;电流应力

中图分类号：TM41? ? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ?文章编号：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 背景简介

随着国家经济的快速增长，各行各业需要能源的储量来推动产业发展，但不可再生能源的短缺是一个十分棘手的问题，为提升产业和促进国家经济的发展，对于新型能源发电的要求越来越迫切，由于外界环境如光照不连续、风能不连续，使得新能源发电系统的输出不稳定，供能系统的供电方式也不稳定，为解决上述问题，基于DAB拓扑的高频隔离DC/DC变换器储能系统得到了广泛的应用，DAB拓扑可实现能量双向流动的功能，满足储能系统充电和放电的要求[1]。

电力电子变压器又称固态变压器或智能变压器，随着电力电子技术的快速发展，双向DC/DC变换器的应用范围逐渐扩大，因此基于DAB拓扑被广泛应用于各种拓扑，如储能变流器、直流不停电电源系统中的储能回路、ISOP拓扑结构的电力电子变压器、电动汽车储能系统等[2]。

由于分布式能源自身没有储存能量的功能，因此储能环节在分布式发电系统中十分关键。在风力发电系统和光伏发电系统中，当风力或日光足够时，控制器控制双向DC/DC变换器将多出的能量存储到蓄电池组中;当风力或阳光不足时，蓄电池通过双向DC/DC变换器向负载提供电能，进而保证了稳定可靠地光伏和风力供电。

能量路由器也有着广泛的应用，由于可提供多个接口的能源转换接口，可承接风能、光伏和其他能源，且由于电力电子变压器具有自动隔离故障、自动实现电气隔离、可控自由度多等优点，电力电子变压器被认为是能量路由器核心设备的理想选择。在推动清洁能源和新型能源逐步取代化石能源的过程中，如何以最小的代价实现清洁能源就地与电网同步实现消纳是当前研究的重点。

双有源桥直流变换器非常优异的对称结构、可集成较高的功率密度、利用谐振电感可实现的零电压开关、双向能量传输能力以及多自由度移相控制等固有优势，从提出时起便成为DAB拓扑，基于DAB的直流变压器拓扑示意图如下：

2 DAB控制方法的优化

2.1 DAB拓扑的优势和改良

双有源桥双向DC/DC变换器因其可实现较高的功率密度，可极大减小系统的体积和损耗，若在DAB全桥模块的两端增加合适的电容，通过电感与电容产生谐振，可使对角的开关IGBT器件两端电压变为0，成功实现零电压开关特性，同时，DAB拓扑可实现功率双向传递，并可通过调节移相角φ，改变谐振电感，提高直流变压器的运行效率，降低器件的电流应力，降低器件的通态损耗与开关损耗。设变压器原边的电源电压值为V1，副边为V2，定义DAB拓扑的外移相比为：

2.2 单移相条件下运行工况的限定优化

随着谐振电感L和移相比D的变化，I2显然有最优的工作区间，通过寻找到使其最小区间，在保证传输功率P稳定的情况下，寻找到最优的L和D组合。副边电流应力与D和L变化关系如图2;输出功率P2与谐振电感L和移相比D的变化如图3。

当副边电压是定值时，变化规律和副边电流是相近的;当副边为负载时，可能会出现电压波动现象，故要在保证一定传输功率的条件下，相对程度上减小电流应力，降低损耗。依图2、图3所示，若保持传输功率在800W左右，谐振电感L的取值约400mH左右，移相比D可选择0-0.2，此时功率的能力相对较高，且器件损耗相对较小。

经调节后运行工况仿真图如图4所示。

由图4可知，在维持输出功率稳定的条件下，整个拓扑处于一个相对良好的工作状态，电流应力相对较小，通过对移相比D和谐振电感L工作范围进行限制，降低了器件损耗，提高了整个拓扑的运行稳定性。

3 直流变压器寄生参数对工作状态的影响

当IGBT视为非理想器件时，器件的寄生电容会对DAB拓扑的工作产生较大的影响，将寄生参数分别扩大为原来的150%，200%和500%，观察和器件寄生电容分别对DAB拓扑工作状态的影响。

将器件的寄生电容扩大为原来的150%，200%和500%，工作波形如图5。

通过波形分析，可看到IGBT器件寄生电容对单移相工作状态下的电感电流和工作电压的状态没有太大影响。

4 结束语

为使DAB拓扑的直流变压器稳定运行，通过调节辅助电感L和移相比D的范围，能够在保证传输功率的条件下尽可能的减小器件电流应力，进而减小器件的通态损耗和开关损耗;若DAB的H桥的换流器件IGBT是非理想的，那么必须要考虑器件两端的寄生电容，通过将寄生电容扩大到原来的150%，200%和500%，输出电流波形和输出电压波形基本不受影响，说明器件的寄生电容对单移相工况下的工作状态基本不影响。

参考文献：

[1]汤广福，贺之渊，庞辉.柔性直流输电工程技术研究、应用及发展[J].电力系统自动化，2013，37（15）：3-14.

[2]刘振亚，张启平，董存，等.通过特高压直流实现大型能源基地风、光、火电力大规模高效率安全外送研究[J].中国电机工程学报，2014，34（16）：2513-2522.

[3]林卫星，文劲宇，程时杰.直流-直流自耦变压器[J].中国电机工程学报，2014，34（36）：6515-6522.

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