雙向直流固態(tài)變壓器研究

摘 要 近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備越來越多，輸配電方式變得更加靈活，長距離的高壓直流輸電、直流配電網(wǎng)和直流微網(wǎng)等電能傳輸方式正在不斷發(fā)展。相較于交流配電網(wǎng)，直流配電網(wǎng)在線路成本、線路損耗和供電可靠性方面存在明顯優(yōu)勢。本文將對(duì)直流輸配電網(wǎng)中的關(guān)鍵設(shè)備雙向直流固態(tài)變壓器進(jìn)行相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞 直流配電網(wǎng);DAB變換器;LLC諧振變換器;雙向直流固態(tài)變壓器

引言

隨著化石能源日趨枯竭以及環(huán)境問題日益突出，人們迫切希望能夠有效利用風(fēng)能、光伏發(fā)電等分布式能源[1]。在直流電網(wǎng)中無法像在交流電網(wǎng)中利用電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)電壓變換及電氣隔離，必須采用電力電子技術(shù)對(duì)直流電壓進(jìn)行變換，利用高頻變壓器進(jìn)行隔離和電壓變換，即采用直流固態(tài)變壓器連接不同的直流母線。隨著直流配電網(wǎng)在近年來受到廣泛關(guān)注，直流固態(tài)變壓器的研究才逐漸發(fā)展起來[2]。其中雙有源橋式變換器與LLC諧振變換器為常見的單元級(jí)變換器，

1雙有源橋式變換器研究

圖1為雙有源橋式變換器的基本拓?fù)渑c輸出功率特性曲線，可知雙有源橋式變換器由輸入全橋變換器、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。S1-S4是輸入全橋變換器的四個(gè)開關(guān)管，S5-S8是輸出全橋變換器的四個(gè)開關(guān)管，輸入輸出側(cè)都有支撐電容，Lr等效為變壓器漏感及加入電路中的諧振電感，變壓器變比為n：1。

圖1 DAB變換器電路原理圖

雙有源橋式變換器的在傳統(tǒng)移相控制下的相關(guān)工作原理為，S1-S8是對(duì)應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖，在輸入全橋中，S1和S4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，同一個(gè)橋臂上的兩只開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，導(dǎo)通角都為180度，V1即為一方波電壓。同理在輸出全橋變換器中，S5、S8和S6、S7也是互補(bǔ)導(dǎo)通，V2也為一方波電壓。

根據(jù)輸入電壓、電感電流的表達(dá)式，對(duì)其進(jìn)行積分可以得到雙有源橋式變換器在一個(gè)周期的平均功率的表達(dá)式：

由上式可知，在實(shí)際工程應(yīng)用中，輸入輸出電壓、電感和變壓器參數(shù)以及開關(guān)管頻率一般在設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)確定，不會(huì)發(fā)生改變。因此，唯一的可控變量為移相角φ。由輸出功率特性曲線可知，通過調(diào)節(jié)移相角即可達(dá)到調(diào)節(jié)功率流動(dòng)的目的，進(jìn)而滿足最終的控制需求。

2LLC諧振變換器研究

LLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，它由輸入全橋變換器、諧振網(wǎng)絡(luò)（Lr、Lm和Cr構(gòu)成）、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。LLC諧振變換器通常采用變頻控制，在不同的負(fù)載條件通過改變開關(guān)頻率使輸出電壓保持穩(wěn)定。在諧振網(wǎng)絡(luò)中，定義LC的諧振頻率為fr，定義LLC的諧振頻率為fm。LLC諧振變換器不僅可以工作在開關(guān)頻率大于fr，也可以工作在fm與fr之間。

圖2 LLC諧振變換器電路原理圖

LLC諧振變換器利用基波近似法分析，可以得到它的電壓增益：

其中，電感系數(shù)為k，電路品質(zhì)因數(shù)為Q，Req為等效負(fù)載電阻。當(dāng)開關(guān)頻率約等于諧振頻率fr時(shí)，LLC諧振變換器的增益特性幾乎與負(fù)載無關(guān)。因此，最好讓變換器工作在諧振頻率附近。當(dāng)LLC諧振變換器的工作頻率低于諧振頻率時(shí)，變換器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的ZVS和整流管的ZCS，有效減少了開關(guān)損耗，是變換器合理工作狀態(tài)。

3結(jié)束語

以雙有源全橋變換器以及LLC諧振變換器為單元級(jí)的雙向直流固態(tài)變壓器和直流輸配電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的新型能源網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)⒍喾N直流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，進(jìn)行電壓等級(jí)的變換，分配功率流向以及實(shí)現(xiàn)電氣隔離，可將分布式能源與各種直流負(fù)荷接入到電網(wǎng)中，充分發(fā)揮雙向直流固態(tài)變壓器的多單元級(jí)聯(lián)高功率密度以及模塊化高可靠性的特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 常怡然，蔡旭.大型海上全直流風(fēng)場中基于MMC的風(fēng)力發(fā)電變流器及其控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（14）：3789-3797.

[2] 張犁，孫凱，吳田進(jìn)，等.基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)能量變換與管理 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（2）：248-254.

作者簡介

劉欣宇，天津人;學(xué)歷：碩士，職稱：專利審查員，現(xiàn)就職單位：國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作天津中心，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。