飞轮储能系统双向准谐振软开关DC-DC变换器的研究

张玮亚王紫钰汤文杰张可可袁 丁

（1.南京供电公司，南京 210019；2.徐州供电公司，江苏 徐州 221000）

飞轮储能系统双向准谐振软开关DC-DC变换器的研究

张玮亚1王紫钰2汤文杰1张可可2袁 丁2

（1.南京供电公司，南京 210019；2.徐州供电公司，江苏 徐州 221000）

飞轮储能因其具有高效、节能、清洁等诸多优点，是未来重要的储能电源形式之一。虽然已有部分飞轮储能系统产品问市，但是大功率飞轮储能系统仍然处于研究之中。本文介绍了一个开发中的应用于大功率飞轮储能系统的双向准谐振软开关DC-DC变换器，有效实现了开关管的零电压开通和零电压关断。其突出的优点在于，结构精简及较低的开关损耗，在确保飞轮储能系统快速充放电的基础上，降低了整套系统的电磁干扰（EMI）水平。

大功率飞轮储能系统；双向DC-DC电路；准谐振软开关；电磁兼容

全球资源和环境压力不断增大，开发绿色能源、实现人类可持续发展已成为各国关注的焦点。飞轮储能作为一种清洁、环保、高效的储能方式，在电力行业中的能量临时存储、不间断供电等方面得到越来越多的应用。飞轮储能系统的基本原理是，输入电能经电力电子变换器驱动电机使飞轮高速旋转，将电能转变为机械能并储存；当需要电能时，飞轮减速，电机作发电机运行，机械能转换成电能经电力电子变换器释放。飞轮储能系统的自身特点以及优势决定了它无论以何种方式被应用到实际中，其基本要求是其电力电子变换器能够提供能量双向流动的通道，以满足充放电需求。

双向DC-DC变换器在储能系统中应用广泛，当前的研究主要集中于其在混合动力汽车、燃料电池、及光伏发电中的应用[1-2]。为了适应飞轮储能系统的特殊要求，本文针对图1所示的飞轮储能系统，按其需求设计了双向均可升降压的 DC-DC变换器结构。本文研究的飞轮储能系统（18kW、280V）的功率较大，在电路设计中若采用传统的硬开关DC-DC变换器，则其开关管在开关过程中由于结构和寄生参数的影响，会伴随着很大的开关损耗，对元件的选型要求很高。为了降低功率电路的运行时的应力，需要开发适用于这种双向 DC-DC变换器的软开关技术。针对非隔离型DC-DC电路拓扑结构，软开关的实现有很多方法[3-4]，文献[3]提出了一种基于无源无损缓冲电路的最小电压限制方法，文献[4]提出了一种基于无源无损缓冲电路的不限最小电压的方法。这些方法的共同点是，不需要新的开关管的引入，但是其需要的无源元件较多，并且不能实现双向DC-DC变换器的双向软开关。本文针对大功率飞轮储能双向 DC-DC变换器提出了一种简单的双向准谐振软开关实现方案（图2），有效地实现了开关管的零电压开通和零电压关断。

图1 大功率飞轮储能系统硬件结构

1 双向准谐振软开关DC-DC变换器的实现方案

大功率双向 DC-DC变换器在运行时开关通断损耗较大，因此准谐振软开关电路的设计思想是尽量采用最小数量的无源元件，以避免增加新的开关器件。同时考虑到双向 DC-DC变换器的运行对称性，软开关电路也应该是在两个能量流动方向上具有类似甚至是相同的对称结构，以实现两个功率流向上的开关管软开闭。

本文提出的双向准谐振软开关 DC-DC变换器如图2所示。与图1中的双向DC-DC变换器相比，增加了谐振电感 Lr以及谐振电容 Cr。谐振电感 Lr和谐振电容Cr在开关开闭过程中制造了开关的零电压开通和零电压关断的条件，而不影响原有电路的能量传递过程。

图2 双向准谐振软开关DC-DC变换器

首先作几点假设：①电路中电感L的电感值相比于谐振电感Lr足够大，在准谐振过程中其可以视为恒流源；②开关元件是理想的，忽略其寄生参数的影响；③谐振回路的元件的参数是理想的，忽略其损耗。

本文以能量由U1流向U2为例来分析电路谐振时各个参数的变化过程。为了实现控制上的全局稳定，该双向DC-DC变换器工作在DCM方式下[5]。在开关管关闭期间，电感Lr电流会出现断续，电感L和电容Cr发生着长振荡周期的谐振，谐振角频率，由于电感L较大，这个谐振周期较 Lr和Cr谐振周期很大，因此在下面的Lr和Cr的谐振过程分析中忽略这个时间尺度谐振的影响。另外，各个电气量的单位遵照国际单位制。

1）第一阶段（t0～t1）

如图3所示，t0时刻之前，电路工作在DCM下，流过电感L的电流，流过电感Lr的电流，流过电容Cr的电流。电感L在给谐振电容Cr充电，Cr两端电压UCr＞0，Lr两端电压ULr=0。t0时刻开关管 Q1闭合，由于电感Lr的电流不能突变，而电压可以突变，因此开关管Q1两端电压Uigbt电压迅速下降至零，Q1在零电压条件下开启。

图3 t0时刻之前等效电路拓扑

2）第二阶段（t1～t2）

t1时刻，Uigbt已经下降到零，电感Lr和电容Cr进入谐振过程，将L视为恒流源，输出电流为 IL，并忽略其影响，根据KCL和KVL定理，此谐振过程存在以下3个关系式，即

如图4所示，联立式（1）、式（2）、式（3）求解可得UCr和iLr在此阶段中随时间t变化的表达式，即

图4 t1～t2时刻等效电路拓扑

3）第三阶段（t2～t3）

如图 5所示，在t2～t3时刻，电感 Lr和电容 Cr谐振过程还在继续，只是电流ILr已经谐振到了负半周，电流通过开关管Q1反并联的二极管导通。在t3时刻关闭 Q1，此时由于ILr依然为负，即此时电流正通过并联在开关管Q1两端的反并联二极管导通，此时开关管Q1两端电压依然为零，达到了零电压关断的条件，此时关闭开关管Q1为零损耗。

图5 t2～t3时刻等效电路拓扑

4）第四阶段（t3～t4）

如图6所示，在t3～t4时刻，电感Lr和电容Cr谐振使得流过电感Lr的电流越来越小，在t4时刻电流过零，此时开关管Q1两端的电压开始上升。

图6 t3～t4时刻等效电路拓扑

5）第五阶段（t4～t5）

如图 7所示，在t4～t5时刻，在ILr为零之后，此时电容 Cr继续给L正向充电直到电容 Cr电能释放完毕为止，两端电压为零。继而电感L反向为电容Cr充电，直到电容Cr电压到达反向最大值为止。

图7 t4～t5时刻等效电路拓扑

6）第六阶段（t5～t6）

如图8所示，在t5～t6时刻，Cr开始反向放电，放电电流通过L以及开关管Q2反并联的二极管，能量传递给U2侧。

图8 t5～t6时刻等效电路拓扑

7）第七阶段（t6～t0）

在t6～t0时刻，能量通过 Q2反并联二极管传递结束，电路恢复到t0之前状态，准备进入下一个开关周期。

由于本文提出的双向DC-DC电路左右对称，因此能量从U2流向U1的电路情况和以上分析一致，不再赘述。

2 参数选择

本文提出的双向准谐振软开关 DC-DC变换器实现了开关管的软开闭过程，从分析中得出，准谐振软开关实现的关键如下：

1）零电压开启的关键是DCM工作条件下准谐振电感Lr的电流不能突变，而电压可以突变。

2）零电压关闭的关键在于开关开启之后电感Lr和电容Cr准谐振过程中的谐振频率。

因此，在谐振电感Lr和谐振电容Cr的选择上，主要考虑的因素包括：

1）为保证电路能够在零电压下关闭，谐振频率2ω必须保证ILr在电流为负的时候给开关管关断信号，此时由于反并联二极管的作用使得开关管达到零电压条件，因此当PWM信号开通时间ton需满足：

3）电感L的电感值需要远大于谐振电感 Lr的电感值（保证两个振荡周期时间上相差一定倍数）。

3 仿真验证

针对本文提出的大功率飞轮储能设备的双向DC-DC电路，在PSIM软件中对其进行了仿真，仿真模型如图9所示。

图9 仿真模型

电路参数如下。

1）飞轮电机参数：转子两对极；额定转速为8000r/min；额定电压为280V。

2）双向 DC-DC变换器参数：L=90μH ；C= 5000μF；开关频率10kHz；假设本飞轮装置在运行过程中其开关占空比设计在 0.5附近，谐振电容和电感的选值使得振荡周期约为因此可以保证电路在运行过程中在占空比为0.3～0.6之间时实现软关断，而在全局实现软开通。考虑到现实中器件选型难度，选取了几组不同量值的谐振电感以及谐振电容，见表1。

表1 谐振电感及谐振电容的取值

3）飞轮充电直流母线采用220V恒定直流源代替。

4）仿真中使用的 IGBT模块采用了 infieon的FF450R17ME4模块，参数见说明书。

3.1 双向准谐振软开关电路开关开闭过程

图10所示为双向DC-DC变换器在开关过程中各电气量波形。其中UCr和ILr波形符合第1部分分析的谐振过程，而 Q1在ILr为负的时候关断，保证了Q1的零电压关断。

图10 准谐振过程电气量仿真波形

3.2 双向准谐振软开关电路的开关损耗和EMI分析

由图11可以看到，与硬开关电路相比，采用软开关技术的双向 DC-DC变换器的开关损耗最多降低了90.1%（Case 1），最少降低了72.1%（Case 4），根据最优软开关电路参数选型，理想状态下本文所提双向DC-DC变换器的效率高于99%。这种软开关电路在运行中对于开关损耗的控制是比较优异的，不仅提高了整个电路的效率，而且还保证了电路元件的可靠性和寿命，符合大功率飞轮储能系统在运行时候的要求。

图11 硬开关和准谐振软开关电路的开关损耗比较

另外，电力电子电路在运行时候最主要的问题还体现在电磁干扰的控制上[6-7]。众所周知，功率电路在运行过程中其周围的电磁环境非常恶劣，具有强弱磁场以及强弱电场相互耦合的特点，这种复杂的环境造成功率电路控制回路的稳定性下降，继而导致开关过程中发生故障和错误的概率增加，给功率电路的稳定运行和可靠控制带来了巨大的挑战。软开关技术的应用，不仅降低了开关回路中间的功率损失，而且还能降低电路输出参数的纹波，减少高频分量的出现[8-9]，本文提出的大功率飞轮储能系统的双向 DC-DC电路在运行过程中其功率交换的中间环节电感 L上的电流是重要的电气量，图 12所示对其在硬开关和软开关过程中的输出值进行FFT分析，得到其各个频率上的分量。从图中看出，在使用了软开关技术之后，电感L流过的电流其频率主要集中在开关频率10kHz上，而硬开关电路的高频分量非常多而且分布广。

图12 电感电流FFT分析

可以看出，采用了软开关技术的双向DC-DC变换器有效地减少了整个系统的EMI水平，提高了控制精度，减少了电磁屏蔽的设计难度[10]。

4 结论

本文介绍了一个开发中的应用于大功率飞轮储能系统的双向准谐振软开关DC-DC变换器，与原有的双向DC-DC变换器相比，增加了谐振电感Lr以及谐振电容Cr，谐振电感Lr和谐振电容Cr在开关开闭过程中制造了开关的零电压开通和零电压关断的条件，而不影响原有电路的能量传递过程。其突出的优点在于，较高的传递效率以及较低的开关损耗。在保证飞轮储能系统的大功率快速充放电的基础上，降低了整套设备的EMI水平，提高了飞轮储能系统运行中的可靠性和效率。

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Research on Bi-directional Quasi-resonant Zero Voltage Switching DC-DC Converter for Flywheel Energy Storage System

Zhang Weiya1Wang Ziyu2Tang Wenjie1Zhang Keke2Yuan Ding2
(1.Nanjing Electrical Power Company,Nanjing 210019; 2.Xuzhou Electrical Power Company,Xuzhou,Jiangsu 221000)

Flywheel energy storage system (FESS) is very important in the future for its high efficiency,energy saving and clean.Although there are some products in the market currently,the high-power FESS is still under investigation.A bidirectional DC-DC circuit applied in the high-power FESS was proposed in this paper,which used quasi-resonant zero voltage switching (QRZVS) technique and achieved the two-way flow of energy.The QRZVS had characteristics such as simplified structure and low switching loss,realized the ability of quick charge & discharge and reduced the electromagnetic interference (EMI) level of the system.

flywheel energy storage system; bidirectional DC-DC converter; quasi-resonant zero voltage switching electromagnetic interference

张玮亚（1989-），男，博士，河南新乡人，主要从事电力系统保护和控制、分布式电源和储能技术的研究工作。