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上海大周技术总监侯院军:LLC直流变换器技术与应用

北极星储能网  来源:北极星储能网    2018/4/2 11:33:06  我要投稿  

北极星储能网讯: 为助力中国储能企业与国际接轨,同时致力于推动中国储能产业机制的建立,实现储能技术商业化,中关村储能产业技术联盟举办的“储能国际峰会暨展览会2018(ESIE 2018)”于2018年4月2-4日在北京国家会议中心举行。上海大周信息科技有限公司技术总监侯院军发表题为《LLC直流变换器技术与应用》的演讲,速记内容如下:

非常荣幸在此跟大家分享我们在储能变换器的技术与服务,我们主要专注于储能的变换技术跟应用技术,我们希望从储能的变换技术和应用技术推动,或者协助我们储能行业的发展。下面我们把现有的直流变换器的现状做了统计,我们用很小的几瓦几伏,这是比较小的工具,也有稍微大一点几十瓦,几十伏,非常难以适用储能快速发展功率能量密度非常大,现在的变换器比较少,在这方面的工作。

第二个,这是我们从网上找的一张图,储能的典型的应用,我们在未来可能在家庭方面,光伏把它转换成直流,经过村存储,跟电动汽车也好或者负载也好,大规模的做应用,基于这样的现状的分析,我们做了变换器方面对比的研究,我们在大规模的储能系统配置到直流的输配电系统以后我们作了系统的拓扑研究,从两端的交流转换成直流,中间经经过了的直流的输配电技术,我们电能的存储或者应用或者电压等级各种变换。我们基于现有的新的储能技术的发展带来的新的行业的应用和行业的需求,我们公司做了一些新的变换技术的研究。集中的一个表现,第一个,新的分布式能源的集中的接入对我们变换器技术提出新的要求。右边这个图可以看到传统的变压器如果做隔离的话,变压器体积非常大。在体积方面减小是非常有明显的优势的。

下面这块是我们在现有市场储能变换器我们做了简单的统计分析,比较简单,这四种,这是现有市场上大家比较常见的变换器。

前面这些变换器有一些后面的同事,对变换器做了一些改进。我们前面介绍的变换器有一个非常致命的特点,它的能量的流动只能是单向的,我们从输入流动到输出,没有形成输出再到输入的流动,后边的学者的研究把这个变换器,我们拓展成两象限和四象限的变换器,两象限把电流从输入到输出,我也可以从输出到输入去流,就形成了两象限的变换器,四象限的变换器非常简单,电压形可以从输入到输出,从输出到输入,这是我们多相的变换器,它的优点非常的明显。主要是我们对输出的变换器的体积的要求会变小,因为我们的项比较多,胁斜坡相应的变小,因为我们项比较多,可以做一个冗余的备份。

上面这个是我们的另外一种三项交错式的变换器,由三个项变换过来的形式,优点把变换器变的比较小,斜坡比较小。我们对变换器做了一个典型的简单的对比,感兴趣的同事下面可以跟我交流一下。后面这个是我们的隔离性的变换器。

下面是反激样式的变换器,下面这是我们常见的桥式的变换器,桥式的变换器它的功率可以做的比较大,方向也是可控的,通过改变桥的控制,可以实现电能的各种变化。这边我们做了简单的对比,桥式变换器,我们优先推荐使用半桥或者全桥,它的功率稍微大一些,这是我们前一段时间研究的变换器,叫做DAB,一个是单U圆桥一种是双U原桥,DAB的形式非常简单,它在控制方面非常简单,只要我们控制这两个桥的仪向角我们就可以控制功率的大小和方向,这个也是我们未来研究非常重要的点,我们也是市场上非常看好的一个方向。

这块是LLC型的变换器,他的特点跟前面DAB的对比,他可以利用电路本身的集成参数可以实现软开关的技术,大家都知道,我们如果说电路开关频率提高了以后,开关频率比较大,实现了软开关以后,开关损耗会减小很多。这是我们目前重点研究的一款LLC型的变换器,我们在前面专家老师的基础上,我们在变压器增加了电感和电容,组成了CL-L-LC型的变换器,左边的公式是变换器的推导,从中间可以看到增益取决于很多因素,下面重点分析一下变换器的电路的工作特点。

在这之前我们前边也提了软开关的技术,软开关对比硬开关技术,在开关的开通和关断的时候,电流和电压是不交叠的,这个时候开关功率的损耗降到0,这个是我们CLLC型的变换器三种工作模式,不详细讲,如果有感兴趣的同事下面可以讨论一下,这是变换器的电压增益的分析,第一个,品质因素Q跟负载成反比,我们设计变换器的时候我们尽量降低Q的值,以达到我们理想的增益曲线,比如我们想增益高一些,对Q的控制尽量降低一些。这边我们对不同的K值和H值还有G值的分析,我们从右边的图可以看出来,K的值如果越大,变换器的最大增益越低,K取决于电感和变压器的呼感,这是一个比值,H和G比较类似,他们越接近于1,变变向器的正向功率和反向功率曲线越重合,G对变换器增益功率流向的影响比H要大一些。

这是我们对变换器的励磁电感做的公式。

我们采用全桥的CLC型的电路,在原有的基础上我们做了改动,我们把低压侧做了并联处理,高压侧做了串联处理。这是我们变换器的主要的技术特点。第一个变换器采用了高频隔离变压器,开关频率在130K,我们做了全隔离,以实现变换器的输入和输出的完全的隔离。

另外我们在变换器的低压侧我们采用交错并联的控制方式,可以有效的降低倾斜振电容的电流,对电容的功率和体积都会有效的降低,会提升我们变换器的功率密度和体积。

这个是我们变换器的实测的波型,有恒压恒流,对电池的恒压充电或者放电,这是我们实测的波型。这是我们测试的方法,我们在自己的实验室想了两种方法。这种方法非常的浪费,我们效率不是很高,后面我们想到下面的方法,我们对变换器,两个变换器做一个串联,同时可以测两个变换器同时不同高压和低压的测定。我们电池的电压可能非常低,我们启动的时候做一些处打嗝的处理。

第一个充电机,现在电动汽车发展比较火,我们这个变换器非常简单,用到充电机这块给电动汽车做充电,有隔离可以有效保护电动车的电池,这是我们对变换器,在电池的控制和家用电器方面的使用,我们主要是把变换器接在直流的微电网上面,一方面对电池做充放电的控制,另外给家用电器提供电压和功率的支持。这是我们在超级电容方面的控制,这个我们大家都知道超级电容放的时间稍微长一点,超级电容电压就会变成0,变压器具有短路启动的能力,在0的时候给电容充电,这是我们在变换器的光伏,很多同事问,为什么光伏线都是逆变器,我们最近直流微电网方面的发展特别快,如果说我们直流的发展,把变换器经过逆变再变成直流,中间损失一级效率,我们直接经过变换器的连接连到直流电网上,提升整整体的效率。这是我们曾经做过的在燃料电池方面的需求,严因为燃料电池比较脆弱,我们希望通过隔离的方式,保护燃料电池的运行。这边港口电梯这些应用非常典型,它的原理也很简单,我们把变换器接到电机的直流母线侧和储能设备接在一起,实现电梯下行的时候自动能量的回收,上行的时候可以用回收的电能驱动我们这样的系统,达到节能减排的功效,这边是非常典型的直流微电网的应用,两个直流母线相互的变换。后面这个是我们现在做的比较多的直流配网,我们刚才提到的典型的应用,还有通过电池或者电容直接共享一条母线,这边是我们常用的电器,灯之类的。这边是我们直流微网的应用,主要把交流侧的风、光的能量,可再生的能量,通过变换器存储到直流侧。能量路由器的应用可能跟大家重点分享以下,这是我们最近几年研究比较多的产品和技术,原理非常简单,通过三个交流转直流的变换器组合成一个6端口的产品,可以实现新能源的风、光和交流复合,直流复合以及储能设备电能的互补利用,有很多同事就问,这个时候为什么要用LC型的变换器,其他变换器不能用吗?答案可其他变换器也能用,但是我们LC型的变换器在这个方面使用有非常大的优势,他的隔离,一个端口出现了故障,不会影响其他端口的使用,这是非常明显的优势。这是我们做的一个科研的成果,我们未来的能源路由器就是这样的一个柜子,直接开放出很多的端口,我们可以接进去。

简单总结以下CLLLC型的变换器是高频隔离的变换器,可以在电压范围比较宽,变比比较大的特性的前提下也可以实现高的效率,未来在储能电动汽车和分布式能源,直流输配电网都会有广泛的应用。谢谢大家!

以上发言未经嘉宾审核发布。

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