交错并联LLC谐振的双向AC-DC变换器.pdf
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1、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
2、 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、 、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
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