PET(Powerelectronictransformer):電力電子變壓器

PET所具有的優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、重量輕、無(wú)變壓器油的污染；

（2）具備功率因數(shù)調(diào)節(jié)能力，減小電網(wǎng)諧波污染；

（3）能夠接入直流環(huán)節(jié)，具備分布式能源接入能力；

（4）自我保護(hù)能力強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)故障冗余保護(hù)。

AC-DC-AC型PET的優(yōu)點(diǎn)：

（1） 具有良好的控制性能

（2） 由于含有直流環(huán)節(jié)，可以被靈活地接入交直流電網(wǎng)

（3） 利于分布式能源的有效利用

PET分類及異同

AC-AC型PET	AC-DC-AC型PET
無(wú)直流環(huán)節(jié)	有直流環(huán)節(jié)
不便于應(yīng)用于交直流混合電網(wǎng)	可被接入交直流電網(wǎng)
難以進(jìn)行功率因數(shù)調(diào)節(jié)	功率因數(shù)調(diào)節(jié)
工作原理圖：	工作原理圖：
	典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

AC-DC-AC型PET典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

工作原理：首先經(jīng)過(guò)三相橋式整流電路將輸入三相電源整流為直流電壓，然后經(jīng)過(guò)雙有源橋變換器進(jìn)行DC-DC變換，最后通過(guò)三相橋式逆變電路將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷骸?/p>

拓?fù)鋱D：

圖1-1AC-DC-AC型FET典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

由于功率器件所能承受的電壓等級(jí)限制，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)難以在中高壓領(lǐng)域使用，主要通過(guò)以下兩種思路解決：

（1） 發(fā)展高電壓等級(jí)的功率器件

（2） 基于現(xiàn)有的Si器件，采用新的控制方法和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)多個(gè)功率單元串聯(lián)來(lái)使系統(tǒng)可以承受更高的輸入電壓。

基于現(xiàn)有Si器件的PET拓?fù)?/p>

（1） 龐巴迪公司研發(fā)的用于機(jī)車牽引的車載PET,（輸入電壓3KV/16.7Hz，容量750KVA）

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);

圖1-2龐巴迪公司研制的PET拓?fù)?/p>

DC-DC變換器采用輸出并聯(lián)形式，工作頻率達(dá)到了8KHz;采用了諧振變換器，保證每個(gè)開(kāi)關(guān)器件都能夠?qū)崿F(xiàn)零電流和零電壓開(kāi)關(guān)，有效減少了開(kāi)關(guān)損耗，整機(jī)效率得到提升。

（2） 北卡羅萊納州立大學(xué)研制的用于智能配電網(wǎng)的單相PET拓?fù)?#xff08;7.2KV輸入電壓，容量為20KVA）

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

圖1-3北卡羅萊納州立大學(xué)研發(fā)的PET拓?fù)?/p>

輸入級(jí)采用級(jí)聯(lián)H橋變換器，每個(gè)H橋輸出3.8KV直流電壓，3.8KV的直流電壓經(jīng)過(guò)DAB型的DC-DC變換器變換為400V的直流電壓，400V直流電壓經(jīng)過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電壓；功率能夠雙向流動(dòng)，通過(guò)提高變壓器的工作頻率可使整個(gè)系統(tǒng)體積大大縮小。重量減輕。

（3） ABB公司研制的用于鐵路網(wǎng)的電力電子牽引變壓器樣機(jī)（15KV/16.7Hz，系統(tǒng)容量為1.2MVA,中頻變壓器頻率為1.8KHz）

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

圖1-4ABB公司采用級(jí)聯(lián)H橋變換器和DC-DC變換器的PET拓?fù)?/p>

隔離型DC-DC變換器采用LLC諧振變換器，變換器可以工作在諧振狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)效率可以保持在96%左右。

目前，在隔離級(jí)雙向DC-DC變換器主要為DAB變換器和LLC諧振變換器。

DAB變換器：

圖1-5DAB變換器電路原理圖

如圖1-5所示，DAB變換器主要有輸入全橋變換器和輸出全橋變換器及中高頻變壓器組成。

具備電氣隔離、功率雙向流動(dòng)、開(kāi)關(guān)器件ZVS開(kāi)通和功率密度高等有點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電池充電、可再生能源發(fā)電、PET等領(lǐng)域。

DAB變換器的基本控制方法為單移相（single-phase-shift，SPS）控制、雙重移相控制方式（dual-phase-shift，DPS）、三重移相控制方式（triple-phase-shiftcontrol，TPS）、兩級(jí)控制方式、電壓平衡控制方式。

SPS控制的實(shí)現(xiàn)方式：

通過(guò)控制變壓器一、二次側(cè)的全橋變換器產(chǎn)生的方波電壓并改變這兩個(gè)方波電壓之間的移相角的大小和方向，來(lái)改變傳輸功率的大小和流向。

SPS控制的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：控制方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，傳輸功率較大

缺點(diǎn)：傳統(tǒng)移相控制方法中，通過(guò)變壓器漏感（少量串聯(lián)電感）傳遞能量，在輸入輸出電壓幅值不匹配時(shí)，變換器的功率環(huán)流和電流應(yīng)力會(huì)大大增加，進(jìn)而也增大了功率器件、磁性元件的損耗，降低變換器的效率。

DPS控制的實(shí)現(xiàn)方式：

在SPS控制方法上增加了要給控制量，除了變壓器一、二次側(cè)電壓之間的移相值，一次側(cè)或二次側(cè)H橋內(nèi)兩橋臂之間也有一個(gè)移相值，通過(guò)控制兩個(gè)移相值可以保證一定輸出功率的前提下降低系統(tǒng)的回流功率和電流應(yīng)力，從而減小系統(tǒng)的損耗、提高效率。

TPS控制的實(shí)現(xiàn)方式：

這種控制方式是在一次側(cè)和二次側(cè)H橋內(nèi)兩橋臂之間以及一、二次側(cè)全橋之間都設(shè)置移相角，因此，有3個(gè)可控制的自由度。

兩級(jí)控制的實(shí)現(xiàn)方式：

對(duì)輸入側(cè)級(jí)聯(lián)H橋變換器進(jìn)行輸出電壓的平衡控制，保證各個(gè)DC-DC變換器的輸入電壓均衡；在此基礎(chǔ)上，由輸出并聯(lián)的DC-DC變換器進(jìn)行各單元輸出電流平衡控制，這樣就可以保證各單元功率均衡。

兩級(jí)控制的優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：控制方式靈活

缺點(diǎn)：（1）為了實(shí)現(xiàn)中間直流側(cè)的電壓平衡，需要補(bǔ)償級(jí)聯(lián)H橋各單元的調(diào)制波幅值，會(huì)影響交流輸入電流的品質(zhì)；

（2）DC-DC變換器的均流控制需要對(duì)電流進(jìn)行濾波處理，降低了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

電壓平衡控制的實(shí)現(xiàn)方式：

輸入側(cè)級(jí)聯(lián)H橋不進(jìn)行電壓平衡控制，由DAB變換器進(jìn)行中間直流側(cè)電壓平衡控制及整個(gè)系統(tǒng)的功率平衡控制。

LLC諧振變換器：

圖1-6LLC諧振變換器電路原理圖

如圖1-6LLC諧振電路原理圖所示，LLC諧振變換器由輸入全橋變換器、諧振網(wǎng)絡(luò)、中高頻變壓器和輸出全橋變換器組成。

LLC諧振變換器的基本工作原理：

輸入全橋變換器采用50%占空比的驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行控制，產(chǎn)生一個(gè)方波電壓；輸出全橋變換器進(jìn)行不控整流，可以實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)開(kāi)關(guān)器件的ZVS和二次側(cè)開(kāi)關(guān)器件的ZCS，有效降低了開(kāi)關(guān)損耗。

LLC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)：

具備軟開(kāi)關(guān)、能量雙向流動(dòng)、高效率、高功率密度等優(yōu)點(diǎn)，作為PET的隔離級(jí)DC-DC變換器可以使系統(tǒng)的效率得到進(jìn)一步優(yōu)化。

LLC諧振變換器的主要研究?jī)?nèi)容：

參數(shù)優(yōu)化、變換器的啟機(jī)過(guò)程以及拓?fù)涓倪M(jìn)以實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。

參數(shù)設(shè)計(jì)：

（1） 通常根據(jù)變換器的輸入、輸出電壓及功率范圍等討論變換器的增益特性，采用基波近似法推導(dǎo)出變換器的增益特性曲線，然后進(jìn)行合理的參數(shù)設(shè)計(jì)以滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

（2） 通過(guò)滿足最低開(kāi)關(guān)頻率下的滿載所需電壓增益來(lái)優(yōu)化諧振參數(shù)。

基波近似法的實(shí)現(xiàn)方式

將方波電壓的基波分量進(jìn)行近似替代來(lái)獲得電壓增益的表達(dá)式，在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)引起較大誤差。

LLC諧振變換器的啟動(dòng)方面:

利用移相控制時(shí)變換器增益隨占空比單調(diào)遞增的特性，提出了一種軟啟動(dòng)控制策略，避免了變換器空載啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生過(guò)大電流沖擊的可能性。

常規(guī)的LLC諧振變換器只能進(jìn)行能量的單相傳遞，而在PET的應(yīng)用中需要研究LLC諧振變換器的能量雙向流動(dòng)控制策略以及拓?fù)涓倪M(jìn)。

圖1-7CLLC諧振網(wǎng)絡(luò)

圖1-7CLLC諧振網(wǎng)絡(luò)變換器的工作原理：

正向和反向工作時(shí)構(gòu)成2個(gè)不同的諧振網(wǎng)絡(luò)，逆變橋采用變頻控制，整流橋采用同步等寬整流控制，能實(shí)現(xiàn)逆變橋開(kāi)關(guān)管的ZVS和整流橋開(kāi)關(guān)管的ZCS。

CLLC諧振電路的缺點(diǎn)：

二次側(cè)諧振電容的增加使得變換器的工作特性被改變，在變換器的感性工作區(qū)出現(xiàn)了2個(gè)峰值增益點(diǎn)，因此變換器在變頻運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入正反饋。

改進(jìn)方法：

通過(guò)增加輔助電感或電容以使變換器方向工作時(shí)也具有良好的增益特性和軟開(kāi)關(guān)特性。但是輔助電感和電容的增加不僅會(huì)增加成本和設(shè)計(jì)難度，還會(huì)改變變換器的工作特性。

在PET的應(yīng)用場(chǎng)合，隔離級(jí)DC-DC變換器需要實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，高頻化以縮小體積，并且需要能夠?qū)崿F(xiàn)軟開(kāi)關(guān)以降低開(kāi)關(guān)損耗。

LLC諧振變換器和DAB變換器在PET應(yīng)用中的比較：

LLC諧振變換器相較于DAB變換器能夠在更寬的負(fù)載范圍內(nèi)較好地實(shí)現(xiàn)全部器件的ZVS及變壓器二次側(cè)器件的ZCS，有利于減少損耗。

雖然LLC諧振變換器的軟開(kāi)關(guān)范圍較大，但是由于其存在諧振過(guò)程，會(huì)導(dǎo)致器件所承受的電壓電流應(yīng)力較大。

LLC諧振變換器的電壓調(diào)整范圍受負(fù)載影響較大，難以實(shí)現(xiàn)與DAB變換器相同的寬電壓范圍控制。

未來(lái)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

系統(tǒng)可靠性：由于在中高壓領(lǐng)域的PET拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)普遍采用多個(gè)功率單元級(jí)聯(lián)的形式，這將造成器件數(shù)量大大增加，由此將對(duì)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，可以采用兩種思路解決，一方面，可以采用故障冗余保護(hù)策略，當(dāng)系統(tǒng)中某一單元出現(xiàn)故障時(shí)，可以將其切除，冗余單元投入使用，確保系統(tǒng)可以可靠運(yùn)行；另一方面，新材料和新器件的發(fā)展也是提升PET可靠性的一個(gè)重要方向，

能量雙向流動(dòng)的自由切換：PET需要實(shí)現(xiàn)的三個(gè)功能：電壓等級(jí)的變換、電氣隔離以及能量的雙向流動(dòng)。

功率密度與效率優(yōu)化：因此在PET的設(shè)計(jì)中，需要考慮對(duì)高頻變壓器與散熱裝置的體積大小進(jìn)行權(quán)衡，使系統(tǒng)的功率密度達(dá)到最優(yōu)；需要綜合考慮功率等級(jí)、開(kāi)關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間等因素的影響，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使DC-DC變換器在輕載狀態(tài)的效率得到保證。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的应用于电力电子变压器的双向DC_DC变换器综述（学习笔记）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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