集成Buck-Boost型CLLC谐振变换器的研究
发布时间：2021-09-25 13:04
随着可再生能源技术的快速发展,储能技术得到了大量的应用。储能单元中双向DC/DC变换器逐渐成为一研究热点。但是在储能单元所特有的宽范围电压输出特性给研究带来了巨大的挑战。近年来有研究表明通过将双向Buck-Boost变换器与CLLC谐振变换器集成在一起可解决储能单元宽范围电压问题。集成Buck-Boost型CLLC谐振变换器功率可双向流动,谐振使得软开关技术实现简单,降低了开关损耗,提高了变换器的功率密度。但是当输入端接电压等级低、功率范围波动大的太阳能电池板时,定频PWM控制的Boost型CLLC变换器降低了对PV电能的利用,副边与原边驱动同步使得变换器在占空比偏移0.5时具有较低的效率。为了在光伏发电系统中实现对PV电能的最大化利用,提高变换器的变换效率。研究了一种光伏发电用PWM-PFM混合控制的Boost型软开关、高增益CLLC变换器,通过控制原边开关管的占空比与开关频率,变换器能够在稳定输出电压的同时,追踪PV最大功率点。混合控制下,变换器谐振增益大于1,电压增益大;开关管一次侧ZVS开通,二次侧ZCS软开关,整机效率高。此外,研究了谐振变换器中的回流功率现象,通过对变换器状...
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双向Buck-Boost电路图
河北科技大学硕士学位论文2换器、双向Zeta-Sepic变换器[27]。双向Buck-Boost变换器即在原Buck、Boost变换器上修改而成，对于Boost变换器，双向Buck-Boost变换器在原二极管位置替换为全控管。正向看等效为Boost电路，当输入输出反向时，Buck-Boost电路等效为Buck电路。电路如图1-1所示。图1-1双向Buck-Boost电路图Buck-Boost型变换器，PWM控制简单，电路动态响应好。文献[28]指出该变换器具有较高的效率，Boost模式下变换效率90%，Buck模式下变换器效率94%。但是当输入电压范围较宽、电压增益比较大时Buck-Boost型变换器占空比往往出现极限占空比状态，而当非隔离型变换器电路容量较大时，其主开关管选择绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)。IGBT工作频率较低，而低开关频率会造成电路储能电感体型巨大。且Buck-Boost变换器因其不带隔离变压器，电压增益比较低。不适用于高压、大功率的场合。双向Cuk变换器是在原单向Cuk变换器二极管位置替换为全控管，实现双向工作。双向Cuk变换器电路图如图1-2所示。双向Cuk变换器输入、输出端皆有电感元件，能够有效降低输出电流纹波。该电路能量只能通过中间电容再传递到负载，因此电路能量传递效率低，不适合大功率场合应用。图1-2双向Cuk电路图双向Zeta-Sepic电路由单向Zeta电路中二极管替换为全控管演化而来。其电路图如图1-3所示。正向时等效为Zeta变换器，反向时等效为Sepic变换器。其能量传输方向由两个电感的平均电流决定。同双向Cuk变换器一样，因为其传递能量的中间电容，导致变换器效率较低。只适用于小功率场合。
第1章绪论3图1-3双向Zeta-Sepic电路图综上所述，非隔离型双向DC/DC变换器结构简单，控制简单，易于设计。由于其普遍能量传递效率较低，故只能适用于小功率场合。1.2.2隔离型变换器拓扑结构研究现状对于隔离型变换器，其电路拓扑结构中有隔离变压器，改变匝比即可实现电路电压高增益。基本上隔离型DC/DC变换器都由非隔离型电路演化而来。因此隔离型双向DC/DC变换器拓扑有一大类是从典型开关电源变化而来：隔离型Flyback电路、隔离型双向Cuk电路、隔离型双向Zeta电路、双向推挽电路、双向半桥电路等。此外，还有一些将多种开关电源电路组合而成的变换器：双向推挽正，反激变换器、隔离型正反激变换器等。这些变换器均能实现双向工作，但是由于其电路结构的局限性，变换器开关管大部分工作在硬开关状态或软开关范围窄，因其较低的变换效率，使得这些电路拓扑没有广泛的应用[29]。当前研究与应用较多的隔离型双向DC/DC变换器主要由双有源桥式(DualActiveBridge，DAB)变换器与谐振型CLLC两种变换器。表1-1展示了两种拓扑结构的优缺点。表1-12种隔离型变换器比较模式DABCLLC优点元器件少，无谐振电容高效(高于98%的峰值效率)结构简单，传输电感集成在变压器中设计良好时，全范围软开关三相DAB结构成熟每相电流RMS小控制简单(PFM)频率固定，变压器设计简单，分支拓扑多二次侧输出EMI小缺点回流功率大，效率低，相对CLLC低0.5%部分情况下，关断电流大，损耗大更多的器件(谐振电容)PFM控制频率范围宽电压不匹配时，轻载时软开关受限(可通过设计与变控制方式实现，但会增加控制复杂度)变压器功率密度低高频效率下降(按最低频率设计)在低于20kW的功率时，LLC/CLLC/CLLLC变换器优势明显，谐振电容在20kW
【参考文献】：
期刊论文
[1]直流微电网母线电压波动分层控制策略[J]. 邓番一,郭英军,徐佳乐,孙鹤旭. 河北工业科技. 2019(06)
[2]双有源桥DC-DC变换器的模态分析方法[J]. 涂春鸣,管亮,肖凡,刘贝,葛钦,兰征. 中国电机工程学报. 2019(18)
[3]面向储能系统应用的隔离型双向DC-DC变换器分析方法与控制技术综述[J]. 孙凯,陈欢,吴红飞. 电工电能新技术. 2019(08)
[4]分布式可再生能源发电集群并网消纳关键技术及工程实践[J]. 盛万兴,吴鸣,季宇,寇凌峰,潘静,施海峰,牛耕,王中冠. 中国电机工程学报. 2019(08)
[5]交错并联磁集成三电平双向DC/DC变换器[J]. 张纯江,徐美娜,柴秀慧,赵策,郝晓冰. 燕山大学学报. 2018(06)
[6]交直流微电网中变换器级联系统稳定性分析与协同控制[J]. 黄旭程,何志兴,伍文华,陈智勇,魏新伟,周乐明,杨苓,罗安. 中国电机工程学报. 2019(05)
[7]多重化双向DC/DC变换器电流增广控制研究[J]. 马速良,武建文,黄炼,陈明轩. 太阳能学报. 2018(09)
[8]基于新型变步长电导增量法的最大功率点跟踪策略[J]. 徐建国,沈建新,王海新,李凯强,陈珂. 可再生能源. 2018(09)
[9]软开关高增益Buck-Boost集成CLLC型直流双向变换器[J]. 李鹏程,张纯江,阚志忠,贲冰. 中国电机工程学报. 2018(11)
[10]基于功率预测的新型变步长电导增量法最大功率点跟踪策略[J]. 盛四清,陈玉良. 电力系统保护与控制. 2017(23)
博士论文
[1]CLLLC谐振型双向DC/DC变换器若干关键问题研究[D]. 陈启超.哈尔滨工业大学 2015
[2]高频隔离谐振型双向DC-DC变换器的研究[D]. 蔡莹莹.中国矿业大学(北京) 2015
硕士论文
[1]CLLC谐振隔离型双向DC/DC变换器的设计与控制方法研究[D]. 张嘉翔.西安理工大学 2019
[2]交错Boost集成型双向CLLLC谐振变换器运行特性分析与优化设计[D]. 李舒成.华中科技大学 2019
[3]集成Buck-Boost的三电平高增益双向DC/DC变换器及性能分析[D]. 杨玉德.燕山大学 2018
[4]宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究[D]. 李利.陕西科技大学 2017
[5]基于碳化硅器件的CLLC谐振变换器[D]. 温先佳.华南理工大学 2017
[6]功率电感磁饱和电流的测试与分析[D]. 周文婷.河北科技大学 2015
[7]一种新型宽电压输入LLC谐振变换器的研究[D]. 朱云娥.燕山大学 2015
[8]用于独立光伏发电系统的LLC集成型三端口直流变换器研究[D]. 申彦峰.燕山大学 2015
[9]高效率LLC谐振变换器研究[D]. 戈现勉.浙江大学 2015
[10]混合储能系统对风电功率波动的平抑作用研究[D]. 陈稿.浙江大学 2014
本文编号：3409791
【文章来源】：河北科技大学河北省
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1-1双向Buck-Boost电路图
河北科技大学硕士学位论文2换器、双向Zeta-Sepic变换器[27]。双向Buck-Boost变换器即在原Buck、Boost变换器上修改而成，对于Boost变换器，双向Buck-Boost变换器在原二极管位置替换为全控管。正向看等效为Boost电路，当输入输出反向时，Buck-Boost电路等效为Buck电路。电路如图1-1所示。图1-1双向Buck-Boost电路图Buck-Boost型变换器，PWM控制简单，电路动态响应好。文献[28]指出该变换器具有较高的效率，Boost模式下变换效率90%，Buck模式下变换器效率94%。但是当输入电压范围较宽、电压增益比较大时Buck-Boost型变换器占空比往往出现极限占空比状态，而当非隔离型变换器电路容量较大时，其主开关管选择绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)。IGBT工作频率较低，而低开关频率会造成电路储能电感体型巨大。且Buck-Boost变换器因其不带隔离变压器，电压增益比较低。不适用于高压、大功率的场合。双向Cuk变换器是在原单向Cuk变换器二极管位置替换为全控管，实现双向工作。双向Cuk变换器电路图如图1-2所示。双向Cuk变换器输入、输出端皆有电感元件，能够有效降低输出电流纹波。该电路能量只能通过中间电容再传递到负载，因此电路能量传递效率低，不适合大功率场合应用。图1-2双向Cuk电路图双向Zeta-Sepic电路由单向Zeta电路中二极管替换为全控管演化而来。其电路图如图1-3所示。正向时等效为Zeta变换器，反向时等效为Sepic变换器。其能量传输方向由两个电感的平均电流决定。同双向Cuk变换器一样，因为其传递能量的中间电容，导致变换器效率较低。只适用于小功率场合。
第1章绪论3图1-3双向Zeta-Sepic电路图综上所述，非隔离型双向DC/DC变换器结构简单，控制简单，易于设计。由于其普遍能量传递效率较低，故只能适用于小功率场合。1.2.2隔离型变换器拓扑结构研究现状对于隔离型变换器，其电路拓扑结构中有隔离变压器，改变匝比即可实现电路电压高增益。基本上隔离型DC/DC变换器都由非隔离型电路演化而来。因此隔离型双向DC/DC变换器拓扑有一大类是从典型开关电源变化而来：隔离型Flyback电路、隔离型双向Cuk电路、隔离型双向Zeta电路、双向推挽电路、双向半桥电路等。此外，还有一些将多种开关电源电路组合而成的变换器：双向推挽正，反激变换器、隔离型正反激变换器等。这些变换器均能实现双向工作，但是由于其电路结构的局限性，变换器开关管大部分工作在硬开关状态或软开关范围窄，因其较低的变换效率，使得这些电路拓扑没有广泛的应用[29]。当前研究与应用较多的隔离型双向DC/DC变换器主要由双有源桥式(DualActiveBridge，DAB)变换器与谐振型CLLC两种变换器。表1-1展示了两种拓扑结构的优缺点。表1-12种隔离型变换器比较模式DABCLLC优点元器件少，无谐振电容高效(高于98%的峰值效率)结构简单，传输电感集成在变压器中设计良好时，全范围软开关三相DAB结构成熟每相电流RMS小控制简单(PFM)频率固定，变压器设计简单，分支拓扑多二次侧输出EMI小缺点回流功率大，效率低，相对CLLC低0.5%部分情况下，关断电流大，损耗大更多的器件(谐振电容)PFM控制频率范围宽电压不匹配时，轻载时软开关受限(可通过设计与变控制方式实现，但会增加控制复杂度)变压器功率密度低高频效率下降(按最低频率设计)在低于20kW的功率时，LLC/CLLC/CLLLC变换器优势明显，谐振电容在20kW
【参考文献】：
期刊论文
[1]直流微电网母线电压波动分层控制策略[J]. 邓番一,郭英军,徐佳乐,孙鹤旭. 河北工业科技. 2019(06)
[2]双有源桥DC-DC变换器的模态分析方法[J]. 涂春鸣,管亮,肖凡,刘贝,葛钦,兰征. 中国电机工程学报. 2019(18)
[3]面向储能系统应用的隔离型双向DC-DC变换器分析方法与控制技术综述[J]. 孙凯,陈欢,吴红飞. 电工电能新技术. 2019(08)
[4]分布式可再生能源发电集群并网消纳关键技术及工程实践[J]. 盛万兴,吴鸣,季宇,寇凌峰,潘静,施海峰,牛耕,王中冠. 中国电机工程学报. 2019(08)
[5]交错并联磁集成三电平双向DC/DC变换器[J]. 张纯江,徐美娜,柴秀慧,赵策,郝晓冰. 燕山大学学报. 2018(06)
[6]交直流微电网中变换器级联系统稳定性分析与协同控制[J]. 黄旭程,何志兴,伍文华,陈智勇,魏新伟,周乐明,杨苓,罗安. 中国电机工程学报. 2019(05)
[7]多重化双向DC/DC变换器电流增广控制研究[J]. 马速良,武建文,黄炼,陈明轩. 太阳能学报. 2018(09)
[8]基于新型变步长电导增量法的最大功率点跟踪策略[J]. 徐建国,沈建新,王海新,李凯强,陈珂. 可再生能源. 2018(09)
[9]软开关高增益Buck-Boost集成CLLC型直流双向变换器[J]. 李鹏程,张纯江,阚志忠,贲冰. 中国电机工程学报. 2018(11)
[10]基于功率预测的新型变步长电导增量法最大功率点跟踪策略[J]. 盛四清,陈玉良. 电力系统保护与控制. 2017(23)
博士论文
[1]CLLLC谐振型双向DC/DC变换器若干关键问题研究[D]. 陈启超.哈尔滨工业大学 2015
[2]高频隔离谐振型双向DC-DC变换器的研究[D]. 蔡莹莹.中国矿业大学(北京) 2015
硕士论文
[1]CLLC谐振隔离型双向DC/DC变换器的设计与控制方法研究[D]. 张嘉翔.西安理工大学 2019
[2]交错Boost集成型双向CLLLC谐振变换器运行特性分析与优化设计[D]. 李舒成.华中科技大学 2019
[3]集成Buck-Boost的三电平高增益双向DC/DC变换器及性能分析[D]. 杨玉德.燕山大学 2018
[4]宽范围输入高效LLC谐振变换器的研究[D]. 李利.陕西科技大学 2017
[5]基于碳化硅器件的CLLC谐振变换器[D]. 温先佳.华南理工大学 2017
[6]功率电感磁饱和电流的测试与分析[D]. 周文婷.河北科技大学 2015
[7]一种新型宽电压输入LLC谐振变换器的研究[D]. 朱云娥.燕山大学 2015
[8]用于独立光伏发电系统的LLC集成型三端口直流变换器研究[D]. 申彦峰.燕山大学 2015
[9]高效率LLC谐振变换器研究[D]. 戈现勉.浙江大学 2015
[10]混合储能系统对风电功率波动的平抑作用研究[D]. 陈稿.浙江大学 2014
本文编号：3409791
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