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(tǒng)雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)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(jié)能、清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)，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(tǒng)產(chǎn)品問市，但是大功率飛輪儲能系統(tǒng)仍然處于研究之中。本文介紹了一個開發(fā)中的應(yīng)用于大功率飛輪儲能系統(tǒng)的雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)DC-DC變換器，有效實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通和零電壓關(guān)斷。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于，結(jié)構(gòu)精簡及較低的開關(guān)損耗，在確保飛輪儲能系統(tǒng)快速充放電的基礎(chǔ)上，降低了整套系統(tǒng)的電磁干擾（EMI）水平。

大功率飛輪儲能系統(tǒng)；雙向DC-DC電路；準(zhǔn)諧振軟開關(guān)；電磁兼容

全球資源和環(huán)境壓力不斷增大，開發(fā)綠色能源、實(shí)現(xiàn)人類可持續(xù)發(fā)展已成為各國關(guān)注的焦點(diǎn)。飛輪儲能作為一種清潔、環(huán)保、高效的儲能方式，在電力行業(yè)中的能量臨時存儲、不間斷供電等方面得到越來越多的應(yīng)用。飛輪儲能系統(tǒng)的基本原理是，輸入電能經(jīng)電力電子變換器驅(qū)動電機(jī)使飛輪高速旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能并儲存；當(dāng)需要電能時，飛輪減速，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能經(jīng)電力電子變換器釋放。飛輪儲能系統(tǒng)的自身特點(diǎn)以及優(yōu)勢決定了它無論以何種方式被應(yīng)用到實(shí)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(tǒng)中應(yīng)用廣泛，當(dāng)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(fā)電中的應(yīng)用[1-2]。為了適應(yīng)飛輪儲能系統(tǒng)的特殊要求，本文針對圖1所示的飛輪儲能系統(tǒng)，按其需求設(shè)計(jì)了雙向均可升降壓的 DC-DC變換器結(jié)構(gòu)。本文研究的飛輪儲能系統(tǒng)（18kW、280V）的功率較大，在電路設(shè)計(jì)中若采用傳統(tǒng)的硬開關(guān)DC-DC變換器，則其開關(guān)管在開關(guān)過程中由于結(jié)構(gòu)和寄生參數(shù)的影響，會伴隨著很大的開關(guān)損耗，對元件的選型要求很高。為了降低功率電路的運(yùn)行時的應(yīng)力，需要開發(fā)適用于這種雙向 DC-DC變換器的軟開關(guān)技術(shù)。針對非隔離型DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)有很多方法[3-4]，文獻(xiàn)[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(xiàn)[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(diǎn)是，不需要新的開關(guān)管的引入，但是其需要的無源元件較多，并且不能實(shí)現(xiàn)雙向DC-DC變換器的雙向軟開關(guān)。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(zhǔn)諧振軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)方案（圖2），有效地實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的零電壓開通和零電壓關(guān)斷。

圖1 大功率飛輪儲能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1 雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)DC-DC變換器的實(shí)現(xiàn)方案

大功率雙向 DC-DC變換器在運(yùn)行時開關(guān)通斷損耗較大，因此準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路的設(shè)計(jì)思想是盡量采用最小數(shù)量的無源元件，以避免增加新的開關(guān)器件。同時考慮到雙向 DC-DC變換器的運(yùn)行對稱性，軟開關(guān)電路也應(yīng)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(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)兩個功率流向上的開關(guān)管軟開閉。

本文提出的雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān) 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(guān)開閉過程中制造了開關(guān)的零電壓開通和零電壓關(guān)斷的條件，而不影響原有電路的能量傳遞過程。

圖2 雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)DC-DC變換器

首先作幾點(diǎn)假設(shè)：①電路中電感L的電感值相比于諧振電感Lr足夠大，在準(zhǔn)諧振過程中其可以視為恒流源；②開關(guān)元件是理想的，忽略其寄生參數(shù)的影響；③諧振回路的元件的參數(shù)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(shù)的變化過程。為了實(shí)現(xiàn)控制上的全局穩(wěn)定，該雙向DC-DC變換器工作在DCM方式下[5]。在開關(guān)管關(guān)閉期間，電感Lr電流會出現(xiàn)斷續(xù)，電感L和電容Cr發(fā)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(guān)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(guān)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?fù)?/p>

2）第二階段（t1～t2）

t1時刻，Uigbt已經(jīng)下降到零，電感Lr和電容Cr進(jìn)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(jù)KCL和KVL定理，此諧振過程存在以下3個關(guān)系式，即

如圖4所示，聯(lián)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(dá)式，即

圖4 t1～t2時刻等效電路拓?fù)?/p>

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(xù)，只是電流ILr已經(jīng)諧振到了負(fù)半周，電流通過開關(guān)管Q1反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通。在t3時刻關(guān)閉 Q1，此時由于ILr依然為負(fù)，即此時電流正通過并聯(lián)在開關(guān)管Q1兩端的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，此時開關(guān)管Q1兩端電壓依然為零，達(dá)到了零電壓關(guān)斷的條件，此時關(guān)閉開關(guān)管Q1為零損耗。

圖5 t2～t3時刻等效電路拓?fù)?/p>

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(guān)管Q1兩端的電壓開始上升。

圖6 t3～t4時刻等效電路拓?fù)?/p>

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(xù)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?yàn)殡娙軨r充電，直到電容Cr電壓到達(dá)反向最大值為止。

圖7 t4～t5時刻等效電路拓?fù)?/p>

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(guān)管Q2反并聯(lián)的二極管，能量傳遞給U2側(cè)。

圖8 t5～t6時刻等效電路拓?fù)?/p>

7）第七階段（t6～t0）

在t6～t0時刻，能量通過 Q2反并聯(lián)二極管傳遞結(jié)束，電路恢復(fù)到t0之前狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)入下一個開關(guān)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(shù)選擇

本文提出的雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān) DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的軟開閉過程，從分析中得出，準(zhǔn)諧振軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵如下：

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

2）零電壓關(guān)閉的關(guān)鍵在于開關(guān)開啟之后電感Lr和電容Cr準(zhǔn)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(guān)閉，諧振頻率2ω必須保證ILr在電流為負(fù)的時候給開關(guān)管關(guān)斷信號，此時由于反并聯(lián)二極管的作用使得開關(guān)管達(dá)到零電壓條件，因此當(dāng)PWM信號開通時間ton需滿足：

3）電感L的電感值需要遠(yuǎn)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(shù)）。

3 仿真驗(yàn)證

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

圖9 仿真模型

電路參數(shù)如下。

1）飛輪電機(jī)參數(shù)：轉(zhuǎn)子兩對極；額定轉(zhuǎn)速為8000r/min；額定電壓為280V。

2）雙向 DC-DC變換器參數(shù)：L=90μH ；C= 5000μF；開關(guān)頻率10kHz；假設(shè)本飛輪裝置在運(yùn)行過程中其開關(guān)占空比設(shè)計(jì)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(yùn)行過程中在占空比為0.3～0.6之間時實(shí)現(xiàn)軟關(guān)斷，而在全局實(shí)現(xiàn)軟開通?？紤]到現(xiàn)實(shí)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(shù)見說明書。

3.1 雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路開關(guān)開閉過程

圖10所示為雙向DC-DC變換器在開關(guān)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(fù)的時候關(guān)斷，保證了Q1的零電壓關(guān)斷。

圖10 準(zhǔn)諧振過程電氣量仿真波形

3.2 雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路的開關(guān)損耗和EMI分析

由圖11可以看到，與硬開關(guān)電路相比，采用軟開關(guān)技術(shù)的雙向 DC-DC變換器的開關(guān)損耗最多降低了90.1%（Case 1），最少降低了72.1%（Case 4），根據(jù)最優(yōu)軟開關(guān)電路參數(shù)選型，理想狀態(tài)下本文所提雙向DC-DC變換器的效率高于99%。這種軟開關(guān)電路在運(yùn)行中對于開關(guān)損耗的控制是比較優(yōu)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(tǒng)在運(yùn)行時候的要求。

圖11 硬開關(guān)和準(zhǔn)諧振軟開關(guān)電路的開關(guān)損耗比較

另外，電力電子電路在運(yùn)行時候最主要的問題還體現(xiàn)在電磁干擾的控制上[6-7]。眾所周知，功率電路在運(yùn)行過程中其周圍的電磁環(huán)境非常惡劣，具有強(qiáng)弱磁場以及強(qiáng)弱電場相互耦合的特點(diǎn)，這種復(fù)雜的環(huán)境造成功率電路控制回路的穩(wěn)定性下降，繼而導(dǎo)致開關(guān)過程中發(fā)生故障和錯誤的概率增加，給功率電路的穩(wěn)定運(yùn)行和可靠控制帶來了巨大的挑戰(zhàn)。軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，不僅降低了開關(guān)回路中間的功率損失，而且還能降低電路輸出參數(shù)的紋波，減少高頻分量的出現(xiàn)[8-9]，本文提出的大功率飛輪儲能系統(tǒng)的雙向 DC-DC電路在運(yùn)行過程中其功率交換的中間環(huán)節(jié)電感 L上的電流是重要的電氣量，圖 12所示對其在硬開關(guān)和軟開關(guān)過程中的輸出值進(jìn)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(guān)技術(shù)之后，電感L流過的電流其頻率主要集中在開關(guān)頻率10kHz上，而硬開關(guān)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(guān)技術(shù)的雙向DC-DC變換器有效地減少了整個系統(tǒng)的EMI水平，提高了控制精度，減少了電磁屏蔽的設(shè)計(jì)難度[10]。

4 結(jié)論

本文介紹了一個開發(fā)中的應(yīng)用于大功率飛輪儲能系統(tǒng)的雙向準(zhǔn)諧振軟開關(guān)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(guān)開閉過程中制造了開關(guān)的零電壓開通和零電壓關(guān)斷的條件，而不影響原有電路的能量傳遞過程。其突出的優(yōu)點(diǎn)在于，較高的傳遞效率以及較低的開關(guān)損耗。在保證飛輪儲能系統(tǒng)的大功率快速充放電的基礎(chǔ)上，降低了整套設(shè)備的EMI水平，提高了飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)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(xiāng)人，主要從事電力系統(tǒng)保護(hù)和控制、分布式電源和儲能技術(shù)的研究工作。