飛輪儲能系統雙向準諧振軟開關DC-DC變換器的研究

張瑋亞王紫鈺湯文杰張可可袁 丁

（1.南京供電公司，南京 210019；2.徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

飛輪儲能系統雙向準諧振軟開關DC-DC變換器的研究

張瑋亞1王紫鈺2湯文杰1張可可2袁 丁2

（1.南京供電公司，南京 210019；2.徐州供電公司，江蘇 徐州 221000）

飛輪儲能因其具有高效、節能、清潔等諸多優點，是未來重要的儲能電源形式之一。雖然已有部分飛輪儲能系統產品問市，但是大功率飛輪儲能系統仍然處于研究之中。本文介紹了一個開發中的應用于大功率飛輪儲能系統的雙向準諧振軟開關DC-DC變換器，有效實現了開關管的零電壓開通和零電壓關斷。其突出的優點在于，結構精簡及較低的開關損耗，在確保飛輪儲能系統快速充放電的基礎上，降低了整套系統的電磁干擾（EMI）水平。

大功率飛輪儲能系統；雙向DC-DC電路；準諧振軟開關；電磁兼容

全球資源和環境壓力不斷增大，開發綠色能源、實現人類可持續發展已成為各國關注的焦點。飛輪儲能作為一種清潔、環保、高效的儲能方式，在電力行業中的能量臨時存儲、不間斷供電等方面得到越來越多的應用。飛輪儲能系統的基本原理是，輸入電能經電力電子變換器驅動電機使飛輪高速旋轉，將電能轉變為機械能并儲存；當需要電能時，飛輪減速，電機作發電機運行，機械能轉換成電能經電力電子變換器釋放。飛輪儲能系統的自身特點以及優勢決定了它無論以何種方式被應用到實際中，其基本要求是其電力電子變換器能夠提供能量雙向流動的通道，以滿足充放電需求。

雙向DC-DC變換器在儲能系統中應用廣泛，當前的研究主要集中于其在混合動力汽車、燃料電池、及光伏發電中的應用[1-2]。為了適應飛輪儲能系統的特殊要求，本文針對圖1所示的飛輪儲能系統，按其需求設計了雙向均可升降壓的 DC-DC變換器結構。本文研究的飛輪儲能系統（18kW、280V）的功率較大，在電路設計中若采用傳統的硬開關DC-DC變換器，則其開關管在開關過程中由于結構和寄生參數的影響，會伴隨著很大的開關損耗，對元件的選型要求很高。為了降低功率電路的運行時的應力，需要開發適用于這種雙向 DC-DC變換器的軟開關技術。針對非隔離型DC-DC電路拓撲結構，軟開關的實現有很多方法[3-4]，文獻[3]提出了一種基于無源無損緩沖電路的最小電壓限制方法，文獻[4]提出了一種基于無源無損緩沖電路的不限最小電壓的方法。這些方法的共同點是，不需要新的開關管的引入，但是其需要的無源元件較多，并且不能實現雙向DC-DC變換器的雙向軟開關。本文針對大功率飛輪儲能雙向 DC-DC變換器提出了一種簡單的雙向準諧振軟開關實現方案（圖2），有效地實現了開關管的零電壓開通和零電壓關斷。

圖1 大功率飛輪儲能系統硬件結構

1 雙向準諧振軟開關DC-DC變換器的實現方案

大功率雙向 DC-DC變換器在運行時開關通斷損耗較大，因此準諧振軟開關電路的設計思想是盡量采用最小數量的無源元件，以避免增加新的開關器件。同時考慮到雙向 DC-DC變換器的運行對稱性，軟開關電路也應該是在兩個能量流動方向上具有類似甚至是相同的對稱結構，以實現兩個功率流向上的開關管軟開閉。

本文提出的雙向準諧振軟開關 DC-DC變換器如圖2所示。與圖1中的雙向DC-DC變換器相比，增加了諧振電感 Lr以及諧振電容 Cr。諧振電感 Lr和諧振電容Cr在開關開閉過程中制造了開關的零電壓開通和零電壓關斷的條件，而不影響原有電路的能量傳遞過程。

圖2 雙向準諧振軟開關DC-DC變換器

首先作幾點假設：①電路中電感L的電感值相比于諧振電感Lr足夠大，在準諧振過程中其可以視為恒流源；②開關元件是理想的，忽略其寄生參數的影響；③諧振回路的元件的參數是理想的，忽略其損耗。

本文以能量由U1流向U2為例來分析電路諧振時各個參數的變化過程。為了實現控制上的全局穩定，該雙向DC-DC變換器工作在DCM方式下[5]。在開關管關閉期間，電感Lr電流會出現斷續，電感L和電容Cr發生著長振蕩周期的諧振，諧振角頻率，由于電感L較大，這個諧振周期較 Lr和Cr諧振周期很大，因此在下面的Lr和Cr的諧振過程分析中忽略這個時間尺度諧振的影響。另外，各個電氣量的單位遵照國際單位制。

1）第一階段（t0～t1）

如圖3所示，t0時刻之前，電路工作在DCM下，流過電感L的電流，流過電感Lr的電流，流過電容Cr的電流。電感L在給諧振電容Cr充電，Cr兩端電壓UCr＞0，Lr兩端電壓ULr=0。t0時刻開關管 Q1閉合，由于電感Lr的電流不能突變，而電壓可以突變，因此開關管Q1兩端電壓Uigbt電壓迅速下降至零，Q1在零電壓條件下開啟。

圖3 t0時刻之前等效電路拓撲

2）第二階段（t1～t2）

t1時刻，Uigbt已經下降到零，電感Lr和電容Cr進入諧振過程，將L視為恒流源，輸出電流為 IL，并忽略其影響，根據KCL和KVL定理，此諧振過程存在以下3個關系式，即

如圖4所示，聯立式（1）、式（2）、式（3）求解可得UCr和iLr在此階段中隨時間t變化的表達式，即

圖4 t1～t2時刻等效電路拓撲

3）第三階段（t2～t3）

如圖 5所示，在t2～t3時刻，電感 Lr和電容 Cr諧振過程還在繼續，只是電流ILr已經諧振到了負半周，電流通過開關管Q1反并聯的二極管導通。在t3時刻關閉 Q1，此時由于ILr依然為負，即此時電流正通過并聯在開關管Q1兩端的反并聯二極管導通，此時開關管Q1兩端電壓依然為零，達到了零電壓關斷的條件，此時關閉開關管Q1為零損耗。

圖5 t2～t3時刻等效電路拓撲

4）第四階段（t3～t4）

如圖6所示，在t3～t4時刻，電感Lr和電容Cr諧振使得流過電感Lr的電流越來越小，在t4時刻電流過零，此時開關管Q1兩端的電壓開始上升。

圖6 t3～t4時刻等效電路拓撲

5）第五階段（t4～t5）

如圖 7所示，在t4～t5時刻，在ILr為零之后，此時電容 Cr繼續給L正向充電直到電容 Cr電能釋放完畢為止，兩端電壓為零。繼而電感L反向為電容Cr充電，直到電容Cr電壓到達反向最大值為止。

圖7 t4～t5時刻等效電路拓撲

6）第六階段（t5～t6）

如圖8所示，在t5～t6時刻，Cr開始反向放電，放電電流通過L以及開關管Q2反并聯的二極管，能量傳遞給U2側。

圖8 t5～t6時刻等效電路拓撲

7）第七階段（t6～t0）

在t6～t0時刻，能量通過 Q2反并聯二極管傳遞結束，電路恢復到t0之前狀態，準備進入下一個開關周期。

由于本文提出的雙向DC-DC電路左右對稱，因此能量從U2流向U1的電路情況和以上分析一致，不再贅述。

2 參數選擇

本文提出的雙向準諧振軟開關 DC-DC變換器實現了開關管的軟開閉過程，從分析中得出，準諧振軟開關實現的關鍵如下：

1）零電壓開啟的關鍵是DCM工作條件下準諧振電感Lr的電流不能突變，而電壓可以突變。

2）零電壓關閉的關鍵在于開關開啟之后電感Lr和電容Cr準諧振過程中的諧振頻率。

因此，在諧振電感Lr和諧振電容Cr的選擇上，主要考慮的因素包括：

1）為保證電路能夠在零電壓下關閉，諧振頻率2ω必須保證ILr在電流為負的時候給開關管關斷信號，此時由于反并聯二極管的作用使得開關管達到零電壓條件，因此當PWM信號開通時間ton需滿足：

3）電感L的電感值需要遠大于諧振電感 Lr的電感值（保證兩個振蕩周期時間上相差一定倍數）。

3 仿真驗證

針對本文提出的大功率飛輪儲能設備的雙向DC-DC電路，在PSIM軟件中對其進行了仿真，仿真模型如圖9所示。

圖9 仿真模型

電路參數如下。

1）飛輪電機參數：轉子兩對極；額定轉速為8000r/min；額定電壓為280V。

2）雙向 DC-DC變換器參數：L=90μH ；C= 5000μF；開關頻率10kHz；假設本飛輪裝置在運行過程中其開關占空比設計在 0.5附近，諧振電容和電感的選值使得振蕩周期約為因此可以保證電路在運行過程中在占空比為0.3～0.6之間時實現軟關斷，而在全局實現軟開通?？紤]到現實中器件選型難度，選取了幾組不同量值的諧振電感以及諧振電容，見表1。

表1 諧振電感及諧振電容的取值

3）飛輪充電直流母線采用220V恒定直流源代替。

4）仿真中使用的 IGBT模塊采用了 infieon的FF450R17ME4模塊，參數見說明書。

3.1 雙向準諧振軟開關電路開關開閉過程

圖10所示為雙向DC-DC變換器在開關過程中各電氣量波形。其中UCr和ILr波形符合第1部分分析的諧振過程，而 Q1在ILr為負的時候關斷，保證了Q1的零電壓關斷。

圖10 準諧振過程電氣量仿真波形

3.2 雙向準諧振軟開關電路的開關損耗和EMI分析

由圖11可以看到，與硬開關電路相比，采用軟開關技術的雙向 DC-DC變換器的開關損耗最多降低了90.1%（Case 1），最少降低了72.1%（Case 4），根據最優軟開關電路參數選型，理想狀態下本文所提雙向DC-DC變換器的效率高于99%。這種軟開關電路在運行中對于開關損耗的控制是比較優異的，不僅提高了整個電路的效率，而且還保證了電路元件的可靠性和壽命，符合大功率飛輪儲能系統在運行時候的要求。

圖11 硬開關和準諧振軟開關電路的開關損耗比較

另外，電力電子電路在運行時候最主要的問題還體現在電磁干擾的控制上[6-7]。眾所周知，功率電路在運行過程中其周圍的電磁環境非常惡劣，具有強弱磁場以及強弱電場相互耦合的特點，這種復雜的環境造成功率電路控制回路的穩定性下降，繼而導致開關過程中發生故障和錯誤的概率增加，給功率電路的穩定運行和可靠控制帶來了巨大的挑戰。軟開關技術的應用，不僅降低了開關回路中間的功率損失，而且還能降低電路輸出參數的紋波，減少高頻分量的出現[8-9]，本文提出的大功率飛輪儲能系統的雙向 DC-DC電路在運行過程中其功率交換的中間環節電感 L上的電流是重要的電氣量，圖 12所示對其在硬開關和軟開關過程中的輸出值進行FFT分析，得到其各個頻率上的分量。從圖中看出，在使用了軟開關技術之后，電感L流過的電流其頻率主要集中在開關頻率10kHz上，而硬開關電路的高頻分量非常多而且分布廣。

圖12 電感電流FFT分析

可以看出，采用了軟開關技術的雙向DC-DC變換器有效地減少了整個系統的EMI水平，提高了控制精度，減少了電磁屏蔽的設計難度[10]。

4 結論

本文介紹了一個開發中的應用于大功率飛輪儲能系統的雙向準諧振軟開關DC-DC變換器，與原有的雙向DC-DC變換器相比，增加了諧振電感Lr以及諧振電容Cr，諧振電感Lr和諧振電容Cr在開關開閉過程中制造了開關的零電壓開通和零電壓關斷的條件，而不影響原有電路的能量傳遞過程。其突出的優點在于，較高的傳遞效率以及較低的開關損耗。在保證飛輪儲能系統的大功率快速充放電的基礎上，降低了整套設備的EMI水平，提高了飛輪儲能系統運行中的可靠性和效率。

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Research on Bi-directional Quasi-resonant Zero Voltage Switching DC-DC Converter for Flywheel Energy Storage System

Zhang Weiya1Wang Ziyu2Tang Wenjie1Zhang Keke2Yuan Ding2
(1.Nanjing Electrical Power Company,Nanjing 210019; 2.Xuzhou Electrical Power Company,Xuzhou,Jiangsu 221000)

Flywheel energy storage system (FESS) is very important in the future for its high efficiency,energy saving and clean.Although there are some products in the market currently,the high-power FESS is still under investigation.A bidirectional DC-DC circuit applied in the high-power FESS was proposed in this paper,which used quasi-resonant zero voltage switching (QRZVS) technique and achieved the two-way flow of energy.The QRZVS had characteristics such as simplified structure and low switching loss,realized the ability of quick charge & discharge and reduced the electromagnetic interference (EMI) level of the system.

flywheel energy storage system; bidirectional DC-DC converter; quasi-resonant zero voltage switching electromagnetic interference

張瑋亞（1989-），男，博士，河南新鄉人，主要從事電力系統保護和控制、分布式電源和儲能技術的研究工作。