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江南大學(xué)學(xué)者提出用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型阻抗源模塊化雙向功率變換器

作者:中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)新聞中心 來(lái)源:電氣新科技 發(fā)布時(shí)間:2022-09-17 瀏覽:

中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊:近年來(lái),基于電池或超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展得到了越來(lái)越多的關(guān)注,在智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車(chē)、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC-DC變換器(Bidirectional DC-DC Converter, BDC)是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元與直流母線間能量交換的核心設(shè)備,影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。所以,BDC的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)已經(jīng)成為了儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

BDC可以分為隔離型與非隔離型兩大類(lèi)。變壓器的存在使得隔離型BDC安全性較高,但體積龐大,效率較低,在大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用較少。而非隔離型BDC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便,成本低等優(yōu)點(diǎn),更適用于大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)。

目前常見(jiàn)的非隔離型BDC主要有半橋型拓?fù)?、交錯(cuò)并聯(lián)型拓?fù)洹⒍嚯娖酵負(fù)湟约凹?jí)聯(lián)模塊化拓?fù)涞?。半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制較為簡(jiǎn)單,但系統(tǒng)所需無(wú)源濾波器件體積較大,且開(kāi)關(guān)器件的電壓及電流應(yīng)力較高。交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)淇捎行Ы档烷_(kāi)關(guān)器件的電流應(yīng)力,但器件的電壓應(yīng)力仍較大。

有學(xué)者提出了一種三電平BDC,克服了傳統(tǒng)半橋型BDC的缺陷,但在大功率場(chǎng)合仍需要較大的濾波器件。級(jí)聯(lián)型變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、易于拓展、控制方便等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)受到了廣泛關(guān)注。M.M.Daniel等首次提出了一種適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)型雙向DC-DC變換器(Modular Multilevel DC-DC Converter, MMDDC)。

相較于傳統(tǒng)拓?fù)?,MMDDC在中高壓大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢(shì):①模塊化串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使低壓開(kāi)關(guān)器件應(yīng)用于中、高壓系統(tǒng);②能夠在不改變開(kāi)關(guān)頻率的前提下提升系統(tǒng)電流的脈動(dòng)頻率,從而降低系統(tǒng)濾波元件的體積;③具備動(dòng)態(tài)能量控制功能,避免外部均衡電路的使用,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上,武偉等對(duì)該拓?fù)涞哪芰抗芾砗碗妷壕獠呗赃M(jìn)行了研究。有學(xué)者分別對(duì)該變換器的開(kāi)路故障檢測(cè)方法和均衡控制策略進(jìn)行了研究,進(jìn)一步推動(dòng)該變換器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

但是,通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)MMDDC也存在一定的不足之處:①該變換器以升壓的形式進(jìn)行能量存儲(chǔ),儲(chǔ)能側(cè)的電壓等級(jí)較高,且模組數(shù)量較多;②子模組占空比在0.5~1之間,工作范圍較小;③當(dāng)母線電壓受負(fù)載波動(dòng)瞬時(shí)升高時(shí),子模組上橋臂反并聯(lián)二極管會(huì)提供電流導(dǎo)通路徑,易使系統(tǒng)過(guò)電流運(yùn)行,嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全。

為了解決MMDDC的過(guò)電流問(wèn)題,有學(xué)者提出了一種改進(jìn)型模塊化多電平變換器,通過(guò)在變換器前端增加開(kāi)關(guān)器件和續(xù)流二極管,并配以峰值電流控制,來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電流的嚴(yán)格控制。但該方案中增加的開(kāi)關(guān)器件需要承受較大的電壓及電流應(yīng)力。

為了解決傳統(tǒng)模塊化多電平變換器應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在的問(wèn)題,江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院的研究人員劉樂(lè)、畢愷韜、朱一昕、樊啟高、顏文旭,在2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文,提出一種新型阻抗源模塊化雙向功率變換器。

圖1 qZS-MMDDC系統(tǒng)拓?fù)?

他們將雙向準(zhǔn)Z源引入MMDDC中,提出一種新拓?fù)?。阻抗源的引入改變了MMDDC的能量傳輸模式,相比于MMDDC,該變換器的優(yōu)點(diǎn)包括:①半橋子模組的輸入電壓可控,從而解決了系統(tǒng)過(guò)電流問(wèn)題;②雙向準(zhǔn)Z源的升壓功能可減少子模組的數(shù)量,簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu);③阻抗源的直通模式不僅有助于提升系統(tǒng)可靠性,同時(shí)也能夠提高子模組占空比工作范圍;④雙向準(zhǔn)Z源使得儲(chǔ)能側(cè)電流連續(xù),有助于提高儲(chǔ)能設(shè)備的壽命。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員表示,阻抗源的直通升壓特性使得基于雙向準(zhǔn)Z源的子模組具備多種工作模式,不僅可實(shí)現(xiàn)半橋子模組的輸入電壓控制,解決傳統(tǒng)MMDDC存在的充電模式下易過(guò)電流的問(wèn)題,同時(shí)對(duì)于相同電壓等級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng),可有效減少子模組的數(shù)量,進(jìn)一步簡(jiǎn)化級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),提升系統(tǒng)可靠性。

他們?cè)敿?xì)分析了變換器的子模組工作原理、調(diào)制方法,并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制策略,通過(guò)搭建的儲(chǔ)能系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提變換器相較于傳統(tǒng)模塊化多電平變換器,更適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1,論文標(biāo)題為“適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的準(zhǔn)Z源模塊化多電平雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與控制”。

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關(guān)鍵字:儲(chǔ)能系統(tǒng)

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