微电网用双向DCDC变换器损耗及效率优化研究.docx
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微电网用双向DCDC变换器损耗及效率优化研究
学位论文
题目微电网用双向DC/DC变换器损耗及效率优化研究
英文StudyonLossandEfficiencyOptimizationforBi-directional
题目DC/DCConverterintheMicrogridSystem
摘要
双向DC/DC变换器作为微电网系统电力储能环节的重要组成部分,对微电网稳定运行非常重要,而其损耗和效率直接关系到变换器能否健康运行,同时与经济效益密切相关,因此研究微电网用双向DC/DC变换器的损耗和效率问题具有很高的实用价值。
本文以一台双向DC/DC样机主电路为效率优化对象,针对功率器件、磁性元件和滤波电容三类器件在实际电路中所存在的损耗问题,开展了双向DC/DC变换器的损耗及效率优化的研究。
本文主要研究内容如下:
设计出了满足样机指标的双向DC/DC变换器拓扑结构,并采用常规计算方法,从实现DC/DC基本功能出发,计算出了主电路各部分参数,包括高频变压器、反激绕组、滤波电容和功率器件。
所设计的电路拓扑和参数将作为损耗和效率优化研究的对象和入口参数。
分析了快恢二极管和IGBT的开关过程,得出了其损耗的近似表达式和影响因素,并对硬开关双向DC/DC进行了功率器件损耗实验。
采用有损缓冲和软开关这两种损耗优化方案,并做实验对比,重点讨论了充电ZVZCS和放电ZVS软开关实现条件和主要电路模态,提出了软开关辅助参数迭代优化策略,得出了优化结果,并通过实验证明了该参数迭代优化方法的正确性。
讨论了磁芯损耗和绕组损耗的产生原因和影响因素,分析了双向DC/DC变换器中变压器和反激绕组的工作波形与损耗计算方法,并对双向DC/DC进行了磁性元件损耗实验。
提出了变压器和反激绕组的损耗优化方案,并进行了实验对比,从发热、效率、成本和体积等方面综合考虑,选择出了最优的解决方案,使变换器性能显著提升。
分析了电容等效损耗模型,得出了双向DC/DC两个滤波电容的不同的损耗表达式,并进行了滤波电容损耗实验。
提出了三种滤波电容的损耗优化方案,并从损耗、整机效率、纹波电压、成本和体积等多方面进行了实验对比,确定了综合性能最优的方案,同时实现了电容低温升、高效率、低纹波、低成本和小体积。
综上所述,本文以微电网用双向DC/DC变换器为优化对象,提出了功率器件、磁性元件和电容损耗的优化方法,采用实验对比的方法证明了优化方法的有效性,为电路进一步降低热耗、提高效率和提升功率密度提供了思路和依据。
关键词:
微电网,双向DC/DC,损耗,效率,优化
ABSTRACT
Asthekeycomponentofmicrogrid’selectricpowerstoragesystem,thebi-directionalDC/DCconverterisofgreatsignificancetothegrid’sstability.Theconverter’spowerlossesandefficiencyarecloselyrelatedtothewholesystem’swell-runningandeconomicbenefits.Therefore,thestudyonlossesandefficiencyofbi-directionalDC/DCconvertersinthemicrogirdsystemisofmuchpracticaluse.Thisdissertationmainlystudiestheoptimizationofabi-directionalDC/DCprototype’slossesandefficiencycenteringonthreedifferentkindsofpracticallossproblems:
powerdevicelosses,magneticelementlossesandfiltercapacitorlosses.Themaincontentsofthisdissertationareasfollows:
Thetopologyofthebi-directionalDC/DCconverterisdesignedforthemicrogridsystem.Theparametersofthetransformer,flybackwinding,filtercapacitorsandpowerdevicesarecalculatedtomeettheperformanceindexes,usingcommoncalculationmethodsfromthestandpointoffunctionimplementation.Thesecircuitparametersaretheobjectandsuctionvariablesofsubsequentefficiencyoptimization.
Switchingprocessesoffastrecoverydiode(FRD)andIGBTareanalyzedtodeducetheapproximateexpressionandmainfactorsoflosses.Lossexperimentsofthebi-directionalhard-switchingDC/DCconverteraremadetoanalyzepowerdevicelosses.Thedissertationadoptstwolossoptimizationschemes:
thelossysnubbercircuitandsoft-switching,andcomparesthetwoscheme’sexperimentalresultsindetail.Basedonsoft-switchingconditonsandequivalentcircuitsofZVZCSinchargingmodeandZVSindischargingmode,aiterationoptimizationstrategyofthesoft-switchingauxiliarycircuitispresentedtodeterminetheoptimizationresults.Theexperimentalresultsindicatetheeffectivenessofoptimizationstrategy.
Themainreasonsofmagneticcorelossandwindinglossareanalyzedtodeducethemagneticlossexpressiononthebaseofthewokingwaveformsofthetransformerandflybackwinding.Magneticlossexperimentsaremade.Theoptimizationmethodisstudiedforthelossofthetransformerandflybackwinding.Byconsideringallfactors,includingheat,efficiency,costandvolume,etc,thedissertationselectsthebestscheme,significantlyenhancingtheconverter’sperformances.
Thecapacitorequivalentlossmodelisanalyzedtodeducetheapproximateexpressionoftwofiltercapacitorsinthebi-directionalDC/DCconveter.Filtercapacitorlossexperimentsofbi-directionalDC/DCconverteraremade.Threeoptimizationmethodsarepresentedforthelossoffiltercapacitors.Consideringsuchaspectsasloss,efficiency,ripplevoltage,cost,andvolume,thisdissertationpresentsthebestcapacitoroptimizationschemeanditsexperimentalresults,realizingcapacitor’slowloss,highefficiency,lowripplevoltage,lowcostandsmallvolume.
Insummary,studiesonoptimizationmethodshavebeenmadeforthelossesofpowerdevices,magneticelementsandfiltercapacitorsinthebi-directionalDC/DCconveter.Theexperimentalcomparionsaremadetoprovetheeffectivenessoftheseoptimizationmethods.Thestudiesonlossandefficiencyoptimiztioncanserveasideasandfoundations,inordertofurtherreducethermalloss,enhanceefficiencyandincreasethepowerdensity.
KeyWords:
Microgrid,bi-directionalDC/DCconverter,powerlosses,efficiency,optimization
第1章绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
当前,全球范围内的能源短缺和传统工业造成的污染,是关乎社会可持续发展的重大问题。
可再生能源由于具有高效清洁的特点而备受重视,常见的可再生能源形式包括太阳能、风能和燃料电池等,但各种新能源装置往往是小型的、分散的,因此称之为分布式发电系统[1]-[3]。
微电网系统是指由各种分布式电源和负荷组成的微型电网,可实现内部统一控制,通过单一接口与大电网相连,可实现并网运行和孤岛运行[4]-[6]。
微电网除了可高效地利用新能源资源,促进节能减排,同时可改善传统大电网运行中可靠性不高、抗风险能力不强、调度困难等问题,是构成智能电网的关键环节之一[4]。
我国幅员辽阔,资源和人口分布严重不均衡,因此发展微电网对改善我国传统供配电形势具有重大意义。
在我国西北和西南部分偏远地区传统大电网难以覆盖,利用小型光伏和风力发电站组成微网系统,可提高电力传送的质量和覆盖面积。
部分供电紧张的中大型城市可利用分布式电源小型化的特点,在靠近城市的郊区建立发电站,直接并入低压电网,改善电能传输的损耗,减小传统电网的投资成本。
虽然微电网能够适应不均衡、分散的能源分布及电力需求,但由于可再生能源本身具有不连续性、随机性、分散的特点,使其通过电力电子装置并入电网后出现无法预测的电压闪变和波动,造成了除电流谐波之外的另一种“污染”。
目前有两种方法用于解决此问题:
一是将大范围的分布式电源统一控制和调度,使单一微电源的随机性和不稳定在整个微电网中弱化,提高电网稳定和连续性;二是采用电力储能设备,在随机变化的新能源发电和稳定的大电网之间实现能量缓冲[6],因此通过双向DC/DC变换器连接微电网本地直流母线和储能用蓄电池是一种广泛采用的形式,如图1-1所示。
双向DC/DC变换器不仅为不连续的新能源提供缓冲,同时它承担了负载的瞬变功率,提高了新能源发电装置的使用寿命和可靠性。
图1-1 微电网系统典型结构
图1-1中的阴影部分为微电网用双向DC/DC变换器,连接本地直流母线和储能用蓄电池,各类新能源发电装置通过单向DC/DC或AC/DC将电能输送给直流母线,维持母线电压,并为本地直流负载供电,直流电经并网DC/AC转化成交流电,为本地交流负载供电,并且可连接大电网。
双向DC/DC根据电能供需关系灵活调整电能流向,为微电网提供能量缓冲和智能化管理。
课题来源于企业委托项目:
“微电网用6kW充放电智能型双向电力调节器研发”和“微电网用20kW充放电智能型双向DC/DC变换器研发”。
1.1.2研究意义
双向DC/DC变换器是微电网系统的重要组成部分,作为清洁能源发电的辅助设备,其工作效率是系统的重要指标之一。
倘若双向DC/DC无法实现高效率、低损耗,那么也就丧失了新能源系统高效节能的优势。
变换器在工作过程中的损耗和发热情况直接关系到器件能否正常工作,影响整个设备的工作寿命,而其工作效率又与经济效益息息相关。
因此研究双向DC/DC在大功率场合的损耗和效率问题具有很高实用和经济价值。
在高压大功率场合,隔离型的双向DC/DC变换器面临着比基本拓扑更为严重、复杂的损耗和效率问题。
通常隔离型双向DC/DC采用一端电压源输入、一端电流源输入的形式[7]-[14],而电流源输入一端会造成开关器件上很高的电压尖峰[15]-[17],使双向DC/DC损耗问题更加难以解决。
大功率的双向DC/DC常常工作于恶劣的环境,工作环境温度往往高于正常的室温,而大量的损耗造成的热量耗散可能提高工作环境温度,从而进一步抬升DC/DC自身温度,缩短器件寿命,稳定性变差,维修次数增多。
较高的损耗往往伴随着较高的di/dt和du/dt,产生很大的噪声干扰,影响周围通讯设备的正常工作,并干扰测量仪器得出准确的结果。
由于半导体器件和导线随着温度的升高,其载流能力逐渐减弱,通态压降或导通电阻随温度逐渐增大而产生更大的热量和损耗,若不能有效抑制损耗并散热,将会形成恶性循环,最终使器件失效,设备停机,甚至酿成火灾等事故,造成经济损失。
目前各类工业产品逐渐向小型化、便携化和低功耗发展,用户对电源的要求越来越高,电力电子装置的高功率密度化、薄型化、模块化逐渐成为发展的潮流[18]。
提高DC/DC开关频率是减小其重量和体积的关键措施,但是,电源内部的开关损耗随着频率的提高而加剧,成为制约电源系统发展的主要因素之一。
开展双向DC/DC变换器的损耗和效率的优化研究,对于提高开关频率、减小设备体积和成本,具有重大意义。
1.2国内外研究现状
双向DC/DC的损耗主要源自三部分:
功率器件,磁性元件和电容器。
这三部分损耗可单独分析但又相互影响[19]-[20],目前已有大量针对这三类损耗的研究成果,包括损耗建模理论,损耗产生机理以及损耗解决方法。
现将三类损耗的研究现状分别讨论如下。
1.2.1功率器件损耗研究现状
功率开关器件的损耗问题一直是各国学者研究的热点,开关频率的不断提高,使损耗的建模分析很大程度上决定了设计成败与否。
功率器件损耗分析一直是建立在开关器件模型的基础上,目前已有多种对开关器件的损耗建模方法[20]-[29],主要分为两种:
一种是基于器件具体参数的精确模型,由于需要大量具体参数的支撑,该种模型只能用计算机仿真的方法得出精准的结果,虽然最接近实际情况,但所需计算量大,耗时长,这也是精确模型无法在工程上得到广泛应用的原因[25];另一种是电路简化的解析模型,即利用近似拟合得到的电压电流瞬时表达式将损耗表示出来,这种模型计算量小,能够使设计者快速得出结论,也便于分析不同电路环境中开关器件的损耗情况,因此是目前工程上最常用的损耗分析方法[19][27],但由于在解析过程中大大简化了开关过程,由该模型得出的结果的准确性非常依赖于简化的程度和假设的合理性。
在简化电路模型中,通常认为寄生电容是影响开关行为的主导因素,但随着半导体工艺的发展,功率管容量的升级,电流密度增大,使得寄生电容减小,电容不再是影响开关行为的唯一主导因素,而寄生电感的作用逐渐被重视起来,成为了不可忽略的要素[23],如此对传统开关模型的改进,进一步加强了开关动作描述的准确性,更全面地反映功率器件的损耗情况。
1.2.2磁性元件损耗研究现状
磁性元件的损耗包括铁损(磁芯损耗)和铜损(绕组损耗)[30],目前已有很多针对磁性元件损耗建模、计算及分析的研究成果。
对磁损的研究主要是围绕影响磁损的各种因素而展开,早期的Steinmetz方程是在正弦波激励的前提下提出的,Steinmetz方程是经验公式,通过实践检验,它能够精确的描述磁芯损耗,但它毕竟是由正弦波测量值得出的,因此无法精确表示DC/DC变换器等非正弦波励磁的磁芯损耗[31]。
1978年,D.Y.Chen开始了非正弦波激励下的磁损计算,随后A.Brockmeyer,M.H.Pong等科学家提出了各自有代表性的理论,他们通过数学手段对经典的Steinmetz方程进行了改进和推广[31]-[39]。
磁损理论发展至今已经能够准确分析各因素对磁芯损耗的影响,但在隔离型DC/DC变换器中,占空比和直流偏置磁场对磁芯损耗都会产生影响,但这些方面的研究成果还较少。
磁性元件铜损的建模与计算,也是损耗研究的热点,目前已经有大量的研究成果可用于分析铜损。
最初的研究由Dowell开展,他提出了绕组一维模型,并用截面积等效的方法研究绕组损耗,后续的研究工作基本上都是在Dowell的基础上展开的[40]-[41]。
进一步的研究发现了线圈结构对绕组损耗的重要影响,从而提出了级连(Interleave)的概念。
但目前的研究成果中,仍然只有很少数专门针对不同绕组分布对磁性元件损耗的影响,以及变压器绕组并联方法,因此有必要对此做进一步深入的研究。
1.2.3电容器损耗研究现状
随着功率半导体器件的工作频率不断提高,电力电子设备可工作在更高的开关频率下,电容也在不同的频率下表现出了不同的损耗。
对电容损耗的研究离不开电容损耗模型的建立,目前已有不少颇具代表性的研究成果:
文献[42][43]用数学方法讨论了电容损耗随开关频率变化的情况以及计算方法;文献[44]从建立电容等效电路的角度出发,将产生损耗的电容器等效为理想电容和电阻的串联,用损耗系数(损耗角正切)表示电容的损耗,即等效串联电阻上消耗的有功功率;文献[45]分析了特定电路中电容值变化对电容损耗的影响,提出了相应的电容选型方案;文献[46]利用一种RLC模型分析了电容各部分损耗产生的机理。
正因为电容损耗和温升是影响电力电子装置工作寿命的关键因素之一,电容器的损耗一直是工程师设计产品所考虑的重点,但目前的电容设计大都基于经验,对电容损耗产生机理缺乏系统的研究,而且在大多数设计中,并没有将电容器各种寄生参数作为影响系统效率的要素来对待,因此,有必要对电容损耗做进一步的分析研究。
1.2.4存在的问题
(1)功率器件损耗建模与分析
目前不少文献对IGBT损耗的分析均以PT型器件为研究对象,并在讨论关断损耗时着重考虑了IGBT尾流现象,但是目前广泛采用的NPT型IGBT在关断时程中不再出现尾流,因此在用数学表达式拟合关断过程中电压、电流波形时,无需再分段处理。
软开关是减小开关损耗的重要措施,目前的文献在分析软开关实现条件时,大多从能量的角度来分析,这样得出的结论是片面的,无法全面反映各个参数之间的关系。
只有同时从能量和时域模型角度出发,才能建立完整的软开关条件。
(2)磁性元件损耗建模与分析
用于描述磁芯损耗的Steinmetz方程较为复杂,待定参数较多,在磁芯生产商未给出数值的情况下,多依赖于实验测定和拟合,这无疑增加了损耗计算的难度,并使计算结果的准确性很大程度上取决于实验测定条件是否合理。
然而在具体电路的损耗分析中,并不一定需要确定所有待定参数,工程上往往只需要利用部分参数明确减小损耗所要采取的措施。
大多数文献对绕组损耗的讨论,只考虑计算表达式的推导,并研究其精确程度,而未考虑计算公式得出的前提条件——绕组均流,而且许多文献中给出的计算公式中的部分参数只具有象征性的意义,无法在某一电路中具体实现。
(3)电容器损耗分析与设计
多数文献在选择电容器参数时,往往只选用单一种类的电容,采用简单的并联组合。
事实上,选用单一种类的电容很难兼顾滤波效果、损耗、散热及成本等多个问题。
1.3本文主要研究内容
本文将双向DC/DC变换器的损耗分为三部分分别研究:
功率器件损耗、磁性元件损耗和电容器损耗。
针对三部分损耗各自的特点,采用不同方法建立损耗模型,分析现有电路的损耗问题,提出损耗优化的方法并计算相应参数,用实验对比的方法得出最终的损耗优化结果。
(1)双向DC/DC主电路拓扑设计及参数计算
根据双向DC/DC变换器样机的性能指标,设计出满足要求的主电路拓扑结构,从实现电路功能角度出发,采用常规方法计算出电路主要元器件的参数,包括高频变压器、反激绕组、滤波电容和功率器件等。
(2)功率器件损耗分析及设计优化
针对IGBT和快恢二极管各自的动态开关过程,使用波形近似、拟合的方法得出各部分损耗的时域表达式,明确各损耗点的主要影响因素。
从实验结果中总结现有双向DC/DC在充、放电模式下所面临的不同的损耗问题,明确需要改进的方向。
根据充、放电模式的不同电路特点,分别采取不同的损耗优化措施,并提出充电ZVZCS软开关和放电ZVS软开关的辅助电路参数迭代优化策略,得出优化结果。
(3)磁性元件损耗分析及设计优化
分别讨论磁芯损耗和绕组损耗各自的产生原因和计算方法,得出其在双向DC/DC变换器中的近似表达式,明确磁性元件的损耗优化措施。
从实验结果中总结现有DC/DC的损耗及发热问题,提出用于减小损耗、优化效率的新方案,采用实验对比的方法,同时综合考虑发热、效率、成本和体积等方面,选择最优的解决方案。
(4)电容器损耗分析及设计优化
分析电容的等效电路模型,讨论滤波电容在高频工作条件下产生损耗的主要原因,得出双向DC/DC电路中两个滤波电容的不同的损耗表达式。
从实验结果总结滤波电容在损耗方面存在的问题,结合纹波电压、成本和体积等多方面要求,提出三种滤波电容的损耗优化方案,通过对比实验数据,最终确定综合性能最优的电容器选型方案。
本文的体系结构如图1-1所示:
图1-1 本文系统结构图
第2章双向DC/DC变换器主电路设计
按常规方法设计出的双向DC/DC变换器主电路拓扑和参数,可以实现基本功能和指标,但由于在设计之前缺乏实验参照,往往无法全面考虑各部分器件的损耗问题,因此在器件温升、效率、EMI等方面都或多或少会存在一些问题。
本章将按照所给技术指标,以功能实现为目标,设计双向DC/DC的主电路拓扑和参数,以此作为后续章节损耗和效率的优化对象。
2.1样机技术指标
用于微电网系统的双向DC/DC变换器样机技术指标如表2-1所示。
表2-1 双向DC/DC变换器技术指标
充电额定功率Pcharge/kW
10
放电额定功率Pdischarge/kW
20
直流母
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- 电网 双向 DCDC 变换器 损耗 效率 优化 研究