交错并联LLC谐振的双向AC-DC变换器.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .交错并联 谐振的双向 变换器邓孝祥 黄治峰(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院 哈尔滨)摘 要:针对当前平衡供电供需与解决再生能源间歇特性的问题设计了一种以优化 调制策略控制图腾柱无桥 和交错并联双向 谐振电路的两级式双向 变换器 前级运用了优化 调制的控制策略增强网侧电流对电网电压的跟踪能力后级采用同步整流管驱动控制的交错并联 谐振变换器的方案设计了变换器和环路补偿的参数通过搭建实验仿真系统验证设计的可行性 结果表明实现正向工作输入交流电 输出直流电 额定功率 反向工作输入直流电 输出交流电 验证所设计的合理性与可行性关键词:双向 变换器 图腾柱无桥 双向 谐振变换器 同步整流:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:():.:收稿日期:第一作者简介:邓孝祥()男山东省即墨人教授硕士研究方向:电力电子与电力传动、功率电子变换:.引 言目前储能系统主要应用于电网输配及可再生能源并网等方向具有很好的发展前景可作为电力系统的紧急备用电源也可应用于光伏发电及电动汽车等新兴技术 随着储能技术的不断进步双向 变换器在实现储能系统和电网的能量双向转换方面起着至关重要作用所以储能系统中所用到的双向 变换器的优化设计得到了非常高的关注传统上单相 变换器为全桥拓扑利用 调制将电网的交流电能转换成直流电能实现 变换器对电网电压的快速跟踪降低输出电压纹波率 目前大多数单相 变换器采用的是双极性和单极性 调制但两者在一个开关周期内需要四个开关改变状态 故提出一种优化 调制策略来控制图腾柱无桥 在一个开关周期里仅改变前桥臂其中一个开关管的状态从而实现图腾柱无桥 的泵升电感的充放电这样不仅抬升了前级的输出电压还减小了变换器的开关损耗双向 变换器根据功率变换等级分为单级式和多级式 单级式的变换器只通过一级的变换器就将交流侧电能依次传输到负载侧结构比较简单但缺少电气隔离控制方式也比较复杂 多级式双向 变换器有双级式和三级式等其中双级式运用范围最广 多级式变换器需要更多的开关管和磁性元件具有更快控制储能系统的充放电能力但是会降低变换器的功率密度不能实现能量的双向流动 单级式双向 变换器有半桥型和全桥型等其中全桥非隔离型双向 变换器应用较广泛 图腾柱无桥 是由四个 开关管和泵升电感构成本质上起着抑制谐波和功率因数校正的作用基于上述分析笔者设计一种前级以优化 调制策略控制图腾柱无桥 后级为具有低压侧同步整流管驱动控制交错并联 谐振的双向 变换器 电路主拓扑分析电路主拓扑是采用两级式结构的双向 变换器它能较容易控制储能系统的充放电而且能较好地利用直流母线 其工作基本原理如图 所示图 两级式双向 变换器工作基本原理.双向 变换器从是否具有电气隔离功能的角度可分为隔离型和非隔离型两类 该电路采用隔离型的交错并联双向 谐振 变换器双向 谐振变换器的优势在于它可以在输入和负载宽范围变化下稳定调节输出在全范围工作下能够实现零电压切换有着软开关作用提高了效率 而常见的非隔离型拓扑如 等这些拓扑的优点是不需要变压器结构简单易于实现较高的功率密度 但其缺点是开关管工作在硬开关状态无法实现软开关导致开关管的开关损耗增加进而效率低主拓扑结构如图 所示 其中前级为优化 调制策略控制图腾柱无桥 拓扑结构包括:由、构成的 型滤波电路输入网侧电感 高速 管(、)交流线频率整流同步 管(、)输出直流母线电容 后级为交错并联双向 谐振变换器包括:谐振电容(、)变压器励磁电感(、)谐振电感(、)管(、)变压器(、)输出滤波电容 图 电路主拓扑.优化 控制的图腾柱无桥 拓扑采用优化 调制的控制策略正向工作时实现交流网侧对直流侧电压的调节将前级的图腾黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷柱无桥 等效的电路如图 所示图 基于优化 调制的图腾柱无桥.文中的优化 控制策略思想:在一个开关周期里仅改变前桥臂其中一个开关管的状态从而实现图腾柱无桥 泵升电感的充放电减小了变换器的开关损耗 其工作过程可分为正半周期和负半周期 在正半周期内 导通关断 在负半周期内 导通关断 正半周期的工作原理如图 所示 负半周期的工作原理如图 所示图 正半周期工作模态.图 负半周期工作模态.工作在正半周期时分为两个工作模态 模态一:、导通、关断 电流路径为交流源正极电感 高频开关管 低频开关管 交流源负极 此过程中输入电感 储能负载所需的能量由电容 提供 模态二:、导通、关断电流路径为:交流源正极电感 续流开关管负载低频开关管 交流源负极 此过程中输入电感 释放能量工作在负半周期时同样分为两个工作模态模态一:、导通、关断 电流路径为交流源负极低频开关管 高频开关管 电感 交流源正极 此过程中输入电感 储能负载所需的能量由电容 提供 模态二:、导通、关断 电流路径为交流源负极低频开关管 负载续流开关管 电感 交流源正极 此过程中输入电感 释放能量综述所述正向工作时利用优化 控制策略不论是在正半周期还是负半周期都能使变换器交流侧电感电压适当的增加或者减小完成电感的充放电实现前级输出电压的抬升反向工作时此部分电路用作全桥逆变同样采取优化 控制策略能够实现 变换.交错并联双向 拓扑交错并联双向 谐振变换器的主电路大致分为以下几个部分:开关网络由一次侧开关管(、)二次侧开关管(、)组成原边谐振腔由并联的两组两个相等的谐振电容(、)与(、)谐振电感(、)励磁电感(、)组成输出由滤波电容 组成其结构如图 所示 并联的两组 变换器的驱动信号相差 不仅可以增大 变换器的输出功率还降低了输出侧的电流纹波输出较为平稳的均衡电流获得更高的电压增益图 输入并联输出并联双向 谐振变换器结构.文中采用的是非对称结构的交错并联双向 谐振变换器拓扑因此对 谐振变换器的基本结构和双向工作模态进行了分析其基本结构如图 所示 和 为 变换器原边侧开关管和为副边侧同步整流管谐振电感、励磁电感 第 期邓孝祥等:交错并联 谐振的双向 变换器和谐振电容、组成 变换器的谐振槽根据 谐振变换器的基本结构此拓扑存在两个谐振频率工作点第一谐振频率点 和第二谐振频率点 分别为()()()图 双向 谐振变换器的基本电路.利用基波分析法可以得出 谐振变换器的等效电路如图 所示图 双向 谐振变换器的等效电路.正向工作时此拓扑可实现原边开关管的零电压 开 通()副 边 开 关 管 的 零 电 流 关 断()设谐振变换器的开关频率为 通过 与 进行比较可以得到三种谐振变换器的工作区域 分别是:超谐振区域即 、次谐振区域即 、谐振工作点即 当 时谐振腔呈容性此时输入电压的相位滞后输入电流的相位也就说明当开关管的驱动信号到来之前其反并联的二极管已经导通此时开关管的两端的电压被钳位为输入电压值在驱动信号到来之后开关管无法实现零电压开通因此谐振变换器不工作在此区域反向工作时由图 可知等效的 谐振变换器也会出现两个谐振点当工作频率 高于第一谐振频率 时励磁电感不参与工作参与谐振工作的只有谐振电感和谐振电容此时能够实现二次侧开关管的 在 谐振变换器工作时考虑到如果低压侧采用不控整流管则输出侧的热损耗较大 为了提高系统效率采取低压侧使用同步整流管代替肖特基二极管减小变换器的导通损耗降低了输出整流电路的功率损耗 但是电路工作在死区这段时间内如果同步整流管 或 仍维持导通则低压侧能量会传输到高压侧其现象如图 所示图 同步整流 低压侧能量回灌.考虑到同步整流开关管可能会存在误导通的情况造成低压侧能量通过变压器回灌到高压侧故采取驱动其中一组同步整流管时加入一组延时同步整流驱动信号使其延迟导通 通过对拓扑的分析采取交错并联 变换器两组同步整流驱动信号相差使同步整流开关管实现 进而提高效率 系统的参数设计针对两级式结构的双向 变换器分别设计了前级图腾柱无桥 和后级交错并联双向 谐振变换器的参数以及 谐振变换器的环路补偿参数设计 其具体参数为模拟电网电压范围:、直流母线电压范围为 前级 开关频率为 后级 第一谐振频率为 低压侧输出电压为 总功率为 .无桥 泵升电感与母线电容设计前级输入侧图腾柱无桥 的泵升电感起着储能与释能的作用而且前级输出侧的直流母线电容为后级双向 谐振变换器提供稳定的输入电压平衡前后级能量 对于泵升电感和直流母线电容的参数计算如下输入电流最大峰值为()式中:输入最大峰值电流 最大输出功率 最小输入电压黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷 效率文中取.电感电流最大纹波为.()最小输入电压的峰值处对应的占空比为 ()泵升电感值为()式中:泵升电感 开关周期直流母线电容值()根据前级设计要求把相关数据代入式()()中得出泵升电感 为.前级输出侧直流母线电容 取 .交错并联双向 谐振变换器参数在设计 谐振变换器必须先确定变换器的工作区域本文将 谐振变换器设计工作在 区域开关频率范围为 第一谐振频率为 变压器匝比为 式中:输入电压 输出电压励磁电感为设谐振频率为 查阅有关开关管数据手册取 死区时间设为 根据计算结果励磁电感 感量小于 所以 的值取为 谐振电感 通过分析 谐振变换器的电压增益与励磁电感和谐振电感有关 不妨设励磁电感和谐振电感的比值为 值越小变换器的电压增益接近于 值越大变换器的增益越大 为了变换器工作频率范围宽且电压增益最优文中则选择 值为 可得 最大品质因数为.式中:电压最大增益 电压最小增益最大开关频率和最小开关频率为 ()()式中:谐振频率 开关频率文中取 谐振电容参数为 .、为双向 变换器的谐振电容.谐振变换器的环路补偿参数设计文中对后级的交错并联双向 谐振变换器建立 谐振变换器的小信号模型推导出控制 输出传递函数为 ()式中:等效串联电阻 输出等效串联电感 开关频率传递函数表达式中变量定义如下:通过分析传递函数与系统的关系得到控制系统框图如图 所示 其中()为 控制器的补偿传递函数图 谐振变换器系统.由图 可见加入环路补偿参数后的闭环传递函数为第 期邓孝祥等:交错并联 谐振的双向 变换器()()()()将式()代入补偿传递函数得到补偿的后的传递函数为().()利用 对式()分析得到系统补偿后的波特图如图 所示图 补偿后波特图.由图 可知加入环路补偿函数后系统的穿越频率约为 低频段和高频段的斜率都为/()相角裕度为 系统比较稳定 仿真与结果分析.图腾柱无桥 通过 中的 实验平台搭建了前级图腾柱无桥 的仿真模型进行仿真研究如图 所示 仿真参数设置如下:交流输入电网峰值 频率 输入电感值为 输出电压值为 开关频率为 图 图腾柱无桥 仿真模型.通过仿真得到输出电压波形如图 所示测得输入电流的 值如图 所示 由图 可以看出输出电压较稳其纹波率为.输入电流的 值为.为了验证优化 控制策略可以使前级 能够在电网电压畸变等情况下稳定运行 仿真时在输入电网侧加入三次电压谐波信号与五次电压谐波信号前级 输出电压波形与图 的波形基本一致验证了优化 控制策略的可行性 加入电压谐波信号的 输出电压波形如图 所示 电压纹波率为.图 图腾柱无桥 仿真结果.图 有谐波信号的 输出电压波形.交错并联双向 通过 实验平台搭建了交错并联双向 变换器的仿真模型并进行了仿真研究 交错并联双向 变换器正向工作时如图 所示 仿真参数设置如下:直流输入电压为 变压器原副边变比为 输出电压 输出电流值 额定功率为 开关频率为 当直流输入额定电压 时通过仿真得到黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷输出电压波形图和输出电流波形如图 所示 可以得到低压侧输出电压稳定 ()输出电流稳定在 可作为下一级逆变的输入交错并联双向 变换器反向工作时其仿真模型如图 所示 仿真参数设置如下:低压侧输入电压为 额定功率为 开关频率 输出电压直流母线电压为 图 交错并联双向 正向工作仿真模型.图 正向低压侧输出电压电流的仿真波形.当反向工作低压侧直流输入电压为 时通过仿真得到输出直流侧母线电压波形如图 所示 可知直流母线电压比较稳定在 输出并入电网的交流电压波形如图 所示 可知交流电压稳定在 交错并联双向 变换器在正向工作和反向工作时两相同步整流管的驱动信号设计为相差 以正向工作为例同步整流管、的驱动信号仿真波形如图 所示图 交错并联双向 反向工作仿真模型.图 反向直流母线、输出电压波形.图 同步整流管驱动信号波形.由图 可见红色和蓝色分别是同步整流管、的驱动信号橙色和紫色分别是同步整流管第 期邓孝祥等:交错并联 谐振的双向 变换器、的驱动信号可以看出两相同步整流管的驱动信号大致相差 符合设计要求 结 论基于优化 调制策略控制图腾柱无桥 和交错并联双向 谐振电路的两级式双向 变换器进行了研究()建立了双向 谐振变换器的等效电路模型指出了 谐振的频率工作点和实现原边开关管的零电压开通的产生机理()针对前级图腾柱无桥 提出了一种优化 控制策略实现图腾柱无桥 的泵升电感的充放电减小了变换器的开关损耗 为了提高系统效率后级低压侧采取使用同步整流管代替肖特基二极管减小变换器的导通损耗()根据技术指标设计了相关参数和控制策略并通过仿真平台对指标要求进行了仿真验证可实现正向工作输入交流电 输出直流电 额定功率 反向工作输入直流 输出交流电 验证了文中的理论分析以及优化控制策略的正确性参考文献:王丙元 姜 建.基于滑模预测控制的光伏储能双向 变换器.电气自动化 ():.银泽一 王广柱 程振兴.基于模块化多电平变换器的插电式混合电动汽车系统充电控制策略.电工技术学报():.付菊霞 陈 洁 滕扬新 等.基于集合经验模态分解的风电混合储能系统能量管理协调控制策略.电工技术学报():./.:.孙继鑫.基于 谐振的双向 变换器设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学.邓孝祥 苏本勇.基于平均电流的电压前馈控制图腾柱 的研究.电子测试():.吴 娜.基于 控制的双向 谐振变换器研究.燕山大学.经雯荔.基于图腾柱软开关 电路的 变换器研究.哈尔滨:哈尔滨工业大学.逢 博.双向开关图腾柱 变换器的研究与设计.哈尔滨:哈尔滨工业大学.钱圣宝.连续导通模式图腾柱无桥 变换器的分析与设计.南京:东南大学.马晶晶.基于 谐振的隔离型双向 变换器研究.哈尔滨:哈尔滨理工大学./():.孙孝峰 肖 洒 申彦峰 等.一种新型单级双向隔离 变换器.太阳能学报 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