單移相控制下直流變壓器的效率優化和軟開關特性優化

陳昱瑋　劉毅力

摘? 要：近年來，能源需求與不可再生能源短缺的矛盾日漸突出，為了解決這個問題，國家大力發展新能源應用，添加儲能系統以提高輸出的穩定性，儲能系統有充電和放電兩種工作模式，要求其接入電路需具備能量雙向流動的能力。文章通過調節DC/DC直流變壓器的橋間角φ和諧振電感L的大小，減小直流變壓器的器件電流應力。

關鍵詞：單移相控制;DC/DC直流變壓器;電流應力

中圖分類號：TM41? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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 背景簡介

隨著國家經濟的快速增長，各行各業需要能源的儲量來推動產業發展，但不可再生能源的短缺是一個十分棘手的問題，為提升產業和促進國家經濟的發展，對于新型能源發電的要求越來越迫切，由于外界環境如光照不連續、風能不連續，使得新能源發電系統的輸出不穩定，供能系統的供電方式也不穩定，為解決上述問題，基于DAB拓撲的高頻隔離DC/DC變換器儲能系統得到了廣泛的應用，DAB拓撲可實現能量雙向流動的功能，滿足儲能系統充電和放電的要求[1]。

電力電子變壓器又稱固態變壓器或智能變壓器，隨著電力電子技術的快速發展，雙向DC/DC變換器的應用范圍逐漸擴大，因此基于DAB拓撲被廣泛應用于各種拓撲，如儲能變流器、直流不停電電源系統中的儲能回路、ISOP拓撲結構的電力電子變壓器、電動汽車儲能系統等[2]。

由于分布式能源自身沒有儲存能量的功能，因此儲能環節在分布式發電系統中十分關鍵。在風力發電系統和光伏發電系統中，當風力或日光足夠時，控制器控制雙向DC/DC變換器將多出的能量存儲到蓄電池組中;當風力或陽光不足時，蓄電池通過雙向DC/DC變換器向負載提供電能，進而保證了穩定可靠地光伏和風力供電。

能量路由器也有著廣泛的應用，由于可提供多個接口的能源轉換接口，可承接風能、光伏和其他能源，且由于電力電子變壓器具有自動隔離故障、自動實現電氣隔離、可控自由度多等優點，電力電子變壓器被認為是能量路由器核心設備的理想選擇。在推動清潔能源和新型能源逐步取代化石能源的過程中，如何以最小的代價實現清潔能源就地與電網同步實現消納是當前研究的重點。

雙有源橋直流變換器非常優異的對稱結構、可集成較高的功率密度、利用諧振電感可實現的零電壓開關、雙向能量傳輸能力以及多自由度移相控制等固有優勢，從提出時起便成為DAB拓撲，基于DAB的直流變壓器拓撲示意圖如下：

2 DAB控制方法的優化

2.1 DAB拓撲的優勢和改良

雙有源橋雙向DC/DC變換器因其可實現較高的功率密度，可極大減小系統的體積和損耗，若在DAB全橋模塊的兩端增加合適的電容，通過電感與電容產生諧振，可使對角的開關IGBT器件兩端電壓變為0，成功實現零電壓開關特性，同時，DAB拓撲可實現功率雙向傳遞，并可通過調節移相角φ，改變諧振電感，提高直流變壓器的運行效率，降低器件的電流應力，降低器件的通態損耗與開關損耗。設變壓器原邊的電源電壓值為V1，副邊為V2，定義DAB拓撲的外移相比為：

2.2 單移相條件下運行工況的限定優化

隨著諧振電感L和移相比D的變化，I2顯然有最優的工作區間，通過尋找到使其最小區間，在保證傳輸功率P穩定的情況下，尋找到最優的L和D組合。副邊電流應力與D和L變化關系如圖2;輸出功率P2與諧振電感L和移相比D的變化如圖3。

當副邊電壓是定值時，變化規律和副邊電流是相近的;當副邊為負載時，可能會出現電壓波動現象，故要在保證一定傳輸功率的條件下，相對程度上減小電流應力，降低損耗。依圖2、圖3所示，若保持傳輸功率在800W左右，諧振電感L的取值約400mH左右，移相比D可選擇0-0.2，此時功率的能力相對較高，且器件損耗相對較小。

經調節后運行工況仿真圖如圖4所示。

由圖4可知，在維持輸出功率穩定的條件下，整個拓撲處于一個相對良好的工作狀態，電流應力相對較小，通過對移相比D和諧振電感L工作范圍進行限制，降低了器件損耗，提高了整個拓撲的運行穩定性。

3 直流變壓器寄生參數對工作狀態的影響

當IGBT視為非理想器件時，器件的寄生電容會對DAB拓撲的工作產生較大的影響，將寄生參數分別擴大為原來的150%，200%和500%，觀察和器件寄生電容分別對DAB拓撲工作狀態的影響。

將器件的寄生電容擴大為原來的150%，200%和500%，工作波形如圖5。

通過波形分析，可看到IGBT器件寄生電容對單移相工作狀態下的電感電流和工作電壓的狀態沒有太大影響。

4 結束語

為使DAB拓撲的直流變壓器穩定運行，通過調節輔助電感L和移相比D的范圍，能夠在保證傳輸功率的條件下盡可能的減小器件電流應力，進而減小器件的通態損耗和開關損耗;若DAB的H橋的換流器件IGBT是非理想的，那么必須要考慮器件兩端的寄生電容，通過將寄生電容擴大到原來的150%，200%和500%，輸出電流波形和輸出電壓波形基本不受影響，說明器件的寄生電容對單移相工況下的工作狀態基本不影響。

參考文獻：

[1]湯廣福，賀之淵，龐輝.柔性直流輸電工程技術研究、應用及發展[J].電力系統自動化，2013，37（15）：3-14.

[2]劉振亞，張啟平，董存，等.通過特高壓直流實現大型能源基地風、光、火電力大規模高效率安全外送研究[J].中國電機工程學報，2014，34（16）：2513-2522.

[3]林衛星，文勁宇，程時杰.直流-直流自耦變壓器[J].中國電機工程學報，2014，34（36）：6515-6522.