分布式儲能裝置作用電壓增益越大輸出功率越大嗎 _經驗分享

天津大學智能電網教育部重點實驗室、國網濟寧供電公司的研究人員薛利坤、王萍、王議鋒、閆海云、張啟亮，在2016年第24期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于開關電容和耦合電感的交錯并聯型高電壓增益雙向DC-DC變換器。通過并聯通道數的增加，使得變換器具有更高的電壓增益、更大的輸出功率和更小的器件電壓/電流應力。
通過引入耦合電感，不僅降低了通道內電流紋波，同時可使各通道的電感量最小，進一步提升變換器的效率和功率密度。而且，較小的電感量可加快開關電容自動均流速度，僅需簡單的控制方法，有利于提高電路的可靠性和實用性。制作了一臺500W樣機，以驗證該拓撲和理論分析的有效性。
分布式儲能裝置在交直流微電網和分布式可再生能源并網發電系統中扮演至關重要的角色，為了解決儲能裝置并聯時的低電壓和并網所需高電壓之間的電壓水平不匹配問題，需要用到高增益型雙向DC-DC儲能變換器[1-3] 。
近年來提出的多種高升壓比電路拓撲可分為隔離型和非隔離型兩類，非隔離型高增益雙向變換器主要包括開關電容拓撲、開關電感拓撲、耦合電感拓撲和基于電容-二極管的倍壓拓撲等[1-7] 。其中，開關電容變換器由于具有重量輕、功率密度高等優點而被廣泛采用[4-6] 。然而，開關電容充、放電過程中各功率器件上存在較大的電流沖擊[1] 。
為了解決此問題，文獻[6,8]提出了一類升壓型開關電容諧振變換器。文獻[9]則提出了一種基于開關電容的雙向諧振變換器。上述諧振型開關電容拓撲，可以實現高電壓增益和較高效率，但是，極大的輸入電流紋波和較為復雜的電路結構，使得這些拓撲僅適用于小功率應用場合。耦合電感變換器往往具有電路結構簡單、所需開關器件較少、電路增益可靈活調節等特點[2]，但與諧振型開關電容拓撲一樣，仍具有較大輸入電流紋波，較難滿足大功率應用的需要。
為了減小輸入電流紋波和開關器件的電壓應力，文獻[10]提出了一種帶開關電容網絡的兩相交錯并聯型高增益Boost變換器，并對其工作原理和各功率開關器件電壓應力進行了分析。
在此基礎上，文獻[11]提出了一種基于開關電容的兩相交錯并聯雙向變換器，能夠減小輸入電流紋波和開關器件電壓應力，并實現能量的雙向流動。但較大的電感量和輸入、輸出濾波電容導致其自動均流的動態特性較差，變換器易出現電流尖峰甚至失穩，另外其升壓、降壓模式下最高效率僅為91%和90% 。
本文在上述研究的基礎上提出一種基于開關電容和耦合電感的4相交錯并聯雙向變換器拓撲。目標是進一步提高雙向變換器的效率和功率密度，減小功率器件電壓、電流應力以及進一步提高變換器電壓增益，最終使其滿足較大功率分布式儲能充、放電需求。
該變換器拓撲如圖1所示，1、3相和2、4相的PWM驅動信號分別相同，1、2相和3、4相分別共用一個匝比為1∶1的耦合電感，不考慮電感耦合作用，假設各相電感量相同L1=L2=L3=L4=L 。電路利用開關電容C1、C2、C3及CH實現高增益的升壓、降壓功能，各開關管的最大電壓應力約為VH/2 。
電路工作在電感電流連續模式（Current Continuous Mode，CCM）升壓時，能量從VL流向VH，為了避免所有開關管關斷時所產生的通道內環流，S1～S4門極驅動信號的占空比D1＞0.5，此時Q1～Q4工作在同步整流狀態以進一步提高變換效率。相應地，當電路工作在降壓模式時，能量從VH流向VL，此時Q1～Q4門極驅動信號占空比D2＜0.5，而S1～S4將工作在同步整流狀態。
上述占空比D1和D2互補的特性，使得該變換器在升壓和降壓模式下各開關管占空比的工作范圍不變，從而可以采用簡單而統一的PWM控制方法，有利于變換器的推廣和應用。
圖1 所提出的高增益雙向直流變換器拓撲
【分布式儲能裝置作用電壓增益越大輸出功率越大嗎】

文章插圖

結論
本文提出了一種基于開關電容和耦合電感的交錯并聯型雙向高電壓增益DC-DC拓撲。該拓撲克服了傳統非隔離型高電壓增益雙向變換器存在的諸多問題。根據500W樣機實驗結果，可以看出：通過并聯通道數量的增加，該拓撲顯著降低了各功率器件的電壓和電流應力。同時，采用耦合系數優化設計后的耦合電感，進一步減小了電感量和電感體積，降低了通道內電感電流紋波，改善了變換器自動均流時的動態性能。
不同工作模式下，電感電流紋波小于1A，自動均流系數高于0.95，各開關管的電壓應力最大約為VH/2 。變換器在升壓和降壓模式下可分別達到96%和94.8%的滿載效率。證明了所提出的變換器拓撲非常適用于大功率儲能充放電應用場合。

分布式儲能裝置作用 電壓增益越大輸出功率越大嗎

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