儲(chǔ)能系統(tǒng)后級隔離變換器移相全橋與LLC諧振損耗分析

李恒陽，梁仕斌，耿向瑾，崔海波，靳會(huì)寧，周成建

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217）

0 前言

近年來，開發(fā)及利用新能源受到了廣泛關(guān)注，與新能源相關(guān)的產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展[1]。然而，由于新能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，其在電網(wǎng)中所占比例高，會(huì)導(dǎo)致供電與負(fù)荷時(shí)空分布不匹配等問題，會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。隨著電力電子技術(shù)和電池技術(shù)的發(fā)展，儲(chǔ)能成為解決這一問題的有效途徑。從某種意義上說，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將決定新能源的發(fā)展水平。

關(guān)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的眾多評價(jià)指標(biāo)中最重要之一就是電池的充放電效率，如何將充電電源設(shè)計(jì)得高效，節(jié)能及大功率已成為儲(chǔ)能行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中的PCS 結(jié)構(gòu)通常分為一級功率變換的DC/AC 結(jié)構(gòu)，和兩級變換的DC/DC 與DC/AC 變流器結(jié)構(gòu)[3]。

在兩級DC/DC 與DC/AC 功率變換的變流器基礎(chǔ)上，研究人員對器材損耗分析進(jìn)行了一些研究。有學(xué)者提出基于全網(wǎng)功率成比例分配原則的雙向AC/DC 換流器外環(huán)功率控制策略,實(shí)現(xiàn)孤立混合微電網(wǎng)的功率平衡和自主分配[4]；為了反映儲(chǔ)能損耗的非線性特性,相關(guān)研究提出一種儲(chǔ)能損耗成本積分計(jì)算模型[5]；對雙有源橋DC-DC 變換器系統(tǒng)中的各部分損耗進(jìn)行建模,并依據(jù)此模型,以提升效率為目標(biāo),對DC-DC 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[6]。現(xiàn)有的關(guān)于儲(chǔ)能電站直流充電系統(tǒng)損耗分析計(jì)算的相關(guān)研究，主要還是側(cè)重于關(guān)于功率器件或是某種單級變換器的損耗，并沒有從理論上針對整個(gè)充電系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換效率的分析，本文主要針對直流充電系統(tǒng)提高能量轉(zhuǎn)換效率，分別對移相全橋DC/DC 變換器與LLC諧振變換器兩者的損耗進(jìn)行了分析比對。

1 功率變換構(gòu)架

1.1 直接DC/AC功率變換結(jié)構(gòu)

直接功率變換的DC/AC 環(huán)節(jié)的PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，該功率構(gòu)架中僅包含一級功率變換，儲(chǔ)能系統(tǒng)中經(jīng)過串并聯(lián)后的電池組，直接連接DC /AC 的直流端。

圖1 直接DC/AC一級功率變換構(gòu)架

該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，能量轉(zhuǎn)換效率高。但存在明顯的缺點(diǎn)，主要是能量轉(zhuǎn)換密度低，設(shè)備體積大，制造成本高；需要在直流側(cè)進(jìn)行大規(guī)模的串聯(lián)來維持直流母線的較高電壓；發(fā)生在電網(wǎng)側(cè)的短路故障可能導(dǎo)致PCS 直流側(cè)產(chǎn)生短時(shí)的較大電流從而沖擊電池系統(tǒng)[7]。

1.2 兩級DC/DC與DC/AC功率變換結(jié)構(gòu)

在當(dāng)前的儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)架方案中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中最常見的PCS 結(jié)構(gòu)為包含兩級變換的DC/DC 與DC/AC 環(huán)節(jié)的變流器結(jié)構(gòu)[8]。如圖2 所示是一種儲(chǔ)能系統(tǒng)的硬件電路方案，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過交流斷路器與本地負(fù)荷相連，PCS 通過d/Yn11 型號(hào)的隔離變壓器與交流斷路器相連，PCS 采用三相三橋臂兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中PCS 的交流濾波器部分可以采用LCL 型濾波器。PCS 直流側(cè)母線接有若干DC/DC 變換器，直流濾波器采用LC 濾波器。配電網(wǎng)通過靜態(tài)開關(guān)為本地負(fù)荷供電，當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障后，靜態(tài)開關(guān)可以快速斷開，從而讓儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)急供電。

這種含DC/DC 和DC/AC 環(huán)節(jié)的PCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理；由于DC/DC 環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降，使得儲(chǔ)能電池的容量配置更加靈活；適于配合風(fēng)電、光伏等間歇性、波動(dòng)性比較強(qiáng)的分布式電源的接入，抑制其直接并網(wǎng)可能帶來電壓波動(dòng)。但其存在主要缺點(diǎn)是由于存在DC/DC 環(huán)節(jié)，使得整個(gè)PCS 系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率有所降低；大容量PCS 的DC/DC 與DC/AC 環(huán)節(jié)的開關(guān)頻率、容量及協(xié)調(diào)配合關(guān)系復(fù)雜。

2 移相全橋DC/DC與LLC諧振損耗分析

在兩級式結(jié)構(gòu)充電電源的后級隔離式DC/DC 變換器中，目前最為常見的便是移相全橋DC/DC 變換器與LLC 諧振變換器。它們都可在全負(fù)載范圍或部分負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)變換器的ZVS 零電壓軟開通。

2.1 移相全橋DC/DC變換器

2.1.1 DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

移相全橋DC/DC 變換器則如圖3 所示，這里主要實(shí)現(xiàn)對輸出大小的調(diào)節(jié)來得到期望的輸出電壓或電流。在移相全橋結(jié)構(gòu)中，四個(gè)功率開關(guān)管Q1、Q2、Q3、Q4均是采用功率MOSFET器件，輸出側(cè)四個(gè)整流二極管D5、D6、D7、D8為快恢復(fù)二極管，變壓器T為高頻變壓，L、C分別為輸出濾波器電感和電容。

圖3 移相全橋DC/DC變換器拓?fù)鋱D

2.1.2 DC/DC變換器開關(guān)管及二極管損耗

根據(jù)以上對Vienna 整流器的開關(guān)管和二極管損耗的計(jì)算方法，同樣對后級移相全橋DC/DC 變換器損耗進(jìn)行相應(yīng)地計(jì)算。

該部分四個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通損耗為：

在移相全橋控制方式下，由于超前橋臂能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，滯后橋臂能夠?qū)崿F(xiàn)零電流關(guān)斷，因此計(jì)算開關(guān)損耗時(shí)應(yīng)該減半。

根據(jù)以上電流平均值和有效值可以計(jì)算得到輸出整流二極管的導(dǎo)通損耗為：

同理，二極管的反向恢復(fù)損耗計(jì)算式為：

針對以上計(jì)算結(jié)果，對該充電電源在輸出電壓為750 V、輸出電流為20 A 的靜態(tài)工作點(diǎn)的損耗分布情況統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 DC/DC器件損耗分布統(tǒng)計(jì)

2.1.3 移相全橋DC/DC變換器的損耗分析

移相全橋是利用超前橋臂與滯后橋臂的移相角度來實(shí)現(xiàn)能量傳遞的，在超前橋臂導(dǎo)通時(shí)，變壓器原邊電流大，此時(shí)實(shí)現(xiàn)ZVS 的能量是諧振電感Lr 加上輸出電感L 的能量，因此超前橋臂比較容易實(shí)現(xiàn)ZVS。而對于滯后橋臂來說，滯后橋臂要實(shí)現(xiàn)ZVS 則比較困難，因?yàn)樵跍髽虮坶_關(guān)過程中，變壓器副邊是短路的，此時(shí)用來實(shí)現(xiàn)ZVS 的能量只是諧振電感中的能量，因此滯后橋臂一般在輕載到中載時(shí)候較難實(shí)現(xiàn)ZVS 開關(guān)，假如要實(shí)現(xiàn)ZVS 需要更大Lr 電感，而增大Lr 又會(huì)造成副邊占空比丟失更加嚴(yán)重，同時(shí)引起更大電感Lr 損耗。另一方面，移相全橋每一個(gè)開關(guān)管都是在峰值電流下硬關(guān)斷，這會(huì)引起較大開關(guān)損耗和MOSFET 溫度升高等問題，而且輸出側(cè)二極管存在反向恢復(fù)損耗?？偟恼f來移相全橋的損耗從理論上分析是要比LLC 諧振變換器大。

2.2 LLC諧振變換器

2.2.1 LLC諧振變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

LLC 諧振變換器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖4 所示，其輸出側(cè)由于勵(lì)磁電感的濾波作用而不再需要額外地添加濾波電感，但在其變壓器的原邊多了諧振電容與電感[9]。

圖4 LLC諧振變換器拓?fù)鋱D

2.2.2 LLC諧振變換器的損耗和效率

LLC 諧振電路是利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)實(shí)現(xiàn)輸入輸出電壓增益的變化的，圖5 所示為其電壓增益特性。

圖5 LLC諧振變換器電壓增益特性

根據(jù)三個(gè)工作區(qū)域的劃分，LLC 諧振共有三種工作模態(tài)：

1) 工作在諧振點(diǎn)，在此額定輸入輸出電壓下實(shí)現(xiàn)最高效率工作，變換器實(shí)現(xiàn)原邊開關(guān)管ZVS 開通，以及副邊整流二極管的ZCS 關(guān)斷。

2) 當(dāng)工作在諧振點(diǎn)左面時(shí)，變換器工作在低于諧振頻率的升壓狀態(tài)，輸出二極管實(shí)現(xiàn)零電流ZCS 關(guān)斷，開關(guān)管關(guān)斷瞬間主要存在較小的勵(lì)磁電流關(guān)斷損耗。該工作模式主要缺陷是原邊勵(lì)磁電流有效值增加，從而在原邊產(chǎn)生環(huán)流損耗，此額外環(huán)流損耗并不傳輸能量同時(shí)會(huì)在主變壓器、電感以及開關(guān)管上產(chǎn)生原邊導(dǎo)通環(huán)流損耗和溫升問題。

3) 當(dāng)工作在諧振點(diǎn)右面時(shí)，變換器工作在高于諧振頻率的降壓狀態(tài)，其特點(diǎn)是高頻率工作狀態(tài)可以減小原邊勵(lì)磁電流有效值，從而降低環(huán)流帶來的導(dǎo)通環(huán)流損耗。但此時(shí)MOSFET和輸出二極管工作在硬關(guān)斷狀態(tài)，會(huì)增加關(guān)斷損耗。

LLC 諧振變換器無論在哪種工作模式或負(fù)載條件下，都能實(shí)現(xiàn)開關(guān)管ZVS 開通，同時(shí)關(guān)斷電流都處于低于峰值電流狀態(tài)，MOSFET 損耗最小。

3 結(jié)束語

儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率是一項(xiàng)必不可少的研究工作，高效率充電電源提供了較好的計(jì)算模型和理論依據(jù)，有利于實(shí)現(xiàn)充電電源的高效性、節(jié)能性和高功率密度。通過對移相全橋DC/DC 變換器與LLC 諧振變換器兩者的損耗分析，移相全橋變換器輸出側(cè)二極管存在反向恢復(fù)損耗，總的損耗要比LLC 諧振變換器大，本文提出的計(jì)算模型和分析依據(jù)能夠較好地為提高充電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率提供理論依據(jù)，有利于設(shè)計(jì)高效、節(jié)能、高功率的充電系統(tǒng)。