电力电子变拓扑柔性变流器理论及应用

电力电子变拓扑柔性变流器理论及应用TheoryofPowerElectronicsVariableTopologyFlexibleConverterandImplementations浙江大学电气工程学院顾亦磊，陈威，吕征宇YileiGu,WeiC很andZhengyuLu,CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversityEmail:[e-mail]摘要:随着电力电子技术的日益成熟，电力电子系统集成成为电力电子产业今后发展的方向。为了满足电力电子系统集成对标准模块宽适应性的要求，提出了变拓扑柔性变流器的概念和思路。变拓扑柔性变流器能根据外界环境的不同，通过改变端子的联结方式而变化成两个或两个以上不同的拓扑，在元器件应力对等的情况下以适应各种应用场合(如宽输入/宽输出等)的需要，从而达到变流器工作最优化的目的。文中给出了两种具有可选择拓扑的柔性变流器的例子，验证了以上的分析。两种柔性变流器在各自的应用场合均有较高的转换效率。ABSTRACT:Withtheincreasingmaturityofpowerelectronicstechnology,powerelectronicssystemintegrationbecomesthedevelopingtrendofpowerelectronicsindustry.Inordertosatisfytherequirementofwideadaptabilityforstandardpowermodulesintheschemeofpowerelectronicssystemintegration,anovelconceptionofvariabletopologyflexibleconverter(VTFC)anditstheoryareproposedinthispaper.TheVTFCcantransformtotwoormoresub-topologiesbychangingtheconnectionofitsinternalconnectorstobesuitablefortheexternalapplicationcircumstance(e.g.wideinputrange/wideoutputrange)andoptimizeitsoperatingperformance,whilethevoltageandcurrentstressofcomponentsineachsub-topologymaintainingthesamewitheachother.TwoexamplesofVTFCwithselectablesub-topologieswereproposedtoverifythetheoreticalanalysis,andexperimentalresultsshowtheseVTFCsbothachievehighconversionefficiencyundertheirownapplications.关键词：系统集成；电力电子；柔性拓扑；KEYWORDS:Systemintegration;Powerelectronics;Flexibletopology1引言系统集成是电力电子产业今后发展的方向，电力电子标准模块的研究是系统集成中一项重要的工作。这些标准模块最基本的要求是通用性，即有尽量宽的适应性[1~10]。单一的拓扑，尽管采取了各种宽范围的措施，但是它的宽范围适应性还是有一个限度，难以满足系统集成的需求。根据外部条件的不同来适当地改变电路的结构或参数的做法也有零星的报道和应用，但远远没有挖掘出潜力，更没有系统的研究，仅仅是一些孤立的例子和偶尔的思路[11,12]。本文将提出变拓扑柔性变流器的概念，使得电力电子拓扑朝一个更高性能、更有利于标准化的方向发展。根据这个理论还提出了两种具有两种拓扑可以切换的柔性变流器的实例，验证了变拓扑柔性变流器理论的有效性和正确性。台达电力电子科教发展基金（DREO2006021）资助项目2柔性变流器的基本概念现代电力电子装置一般都可以分解成AC/DC、DC/DC、AC/AC和DC/AC四种变流器中的一种或多种。到目前为止，这些变流器的功率电路拓扑都是由有源开关、无源开关、电感、电容、变压器这五种元器件中的若干种经过一定次序的联结而构成。其中有源开关、无源开关都属于开关元件；电感、电容属于储能元件；变压器属于隔离元件。由上述元器件构成的各种电路拓扑都有其各自的特点，通常我们会针对具体的应用要求选取合适的拓扑。但是电力电子系统集成的发展却要求一个标准模块能够适应更多的应用场合，从而增强产品的通用性，降低产品的成本。例如一个标准模块既可以应用于48V系统又可以应用于24V系统，或者既可以应用于单相系统又可以应用于三相系统等。对于电路拓扑来说，宽适应性主要表现在对于不同电压电流的适应性上。如何选取电压电流适应图1常规变流器的示意图Fig.1Illustrationforconventionalconverter图2变拓扑柔性变流器的示意图Fig.2Illustrationforflexibleconverter范围尽量宽的拓扑，以及如何采用一些特定的技术来拓展已有拓扑的宽范围适应性的工作已经有不少研究成果。但是单一的拓扑宽范围适应性还是有一个限度，难以满足系统集成对宽范围的需求。变拓扑柔性变流器就是为了适应这样一种需求而提出。图1所示的是常规的变流器的示意图，由一组元器件按照一定的联结方式构成一个拓扑，应用于某个场合。图2所示的是变拓扑柔性变流器的示意图，首先根据外界的应用要求来控制联结装置，再由这些联结装置把元器件联结成一个合适的拓扑去适应特定的应用场合，从而实现每种应用场合下这个变流器都能工作于较佳的状态的目的。3柔性变流器的研究思路变拓扑柔性变流器是对常规的固定拓扑变流器的一个革新，它需要从以下几个环节去综合考虑和构建：1)调查目前电力电子市场的需求和发展，确定几个柔性变流器的应用场合。在现有成熟的电力电子市场中，并不是所有应用场合都适合变拓扑变流器。只有在具有一些极端要求的场合中，例如超宽电压输入/输出范围或极大功率等，使用变拓扑变流器才能体现出最佳的性价比，达到系统整体的最优化。2)根据变拓扑柔性变流器应用场合，按照功率等级和输入输出范围的划分和分类，找出一批在元器件工作条件上基本对等的可变形同构拓扑子集，并通过合理的方式加以实现。同样，也并不是任何两个（或两个以上）拓扑都能构成理想的电路拓扑子集，在功率等级和输入输出范围具有兼容性的基础上，需要综合考虑变拓扑子集中每个拓扑相应元器件的工作适应性，以确保其电压电流应力基本对等。反之，则不能体现变拓扑变流器性能和成本上的优势。在得到变结构拓扑子集后，就需要通过合理的拓扑连接和切换方式加以具体实物化。这也是变拓扑柔性变流器的一个难点，几种拓扑组合时必然有其兼容性，同时也要遵循连接点尽可能少的原则，因而需要综合考虑电磁兼容、热场分布、电气隔离强度、小信号、输入输出阻抗、功率走线、寄生参数、死区、时序等各方面的特殊要求和解决方案，从而得到完整变拓扑柔性变流器实物样机。3)总结和归纳能够适用于基本DC-DC拓扑的变拓扑普适性理论。变拓扑柔性变流器的内涵非常丰富，其中包含了电力电子电路、电磁学、拓扑学、机械学、热学等等几个学科的综合理论和工程实践。因而需要积极探求适用于变拓扑柔性变流器的一般普适性理论，从理论的角度出发研究变拓扑变流器的子集和实例，进而形成变拓扑的指导思想。以该普适性理论作为标准，可有望创造出较为新颖的变拓扑子集，以及对前述归纳工作中或有遗漏的变拓扑子集进行查漏补缺。4应用实例上面阐述了变拓扑柔性变流器的基本概念和理论，下面将利用这个理论，提出两个具有两种可选择拓扑的柔性变流器。4.1适用于电力操作电源110V/220V直流母线的柔性变流器图3是这个柔性变流器的拓扑子集，包含两个拓扑。拓扑1是传统的LLC串联谐振变流器，其工作原理详见参考文献[13~16]。这里的L1、L2、C1是谐振元件。C2是隔直电容，其容量可以认为无穷大。在拓扑1里C2上的拓扑1拓扑2拓扑n…应用拓扑控制联结装置拓扑1应用TRS2S1S3S4C3VinC1C2D2D4D1D3C4L1L2TRS2S1S3S4C3VinC1C2D1D4D2D3C4L1L2(a)拓扑1(b)拓扑2(a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)ip[8A/div]iD[20A/div]ip[4A/div]iD[8A/div]vT[100V/div]时间[2μs/div]vD[100V/div]时间[2μs/div]vT[100V/div]时间[2μs/div]vD[100V/div]时间[2μs/div]ip[8A/div]iD[20A/div]ip[4A/div]iD[8A/div]vT[100V/div]时间[2μs/div]vD[100V/div]时间[2μs/div]vT[100V/div]时间[2μs/div]vD[100V/div]时间[2μs/div]电压为零。拓扑2是副边电压应力是输出电压一半的LLC串联谐振变流器。原边结构和拓扑1完全相同，副边采用变形后的梯形倍压结构。这种结构下D1~D4以及C2~C4的电压应力均为输出电压的一半。图4是实际柔性变流器电路结构。该样机的规格和主要参数如下：输入电压:240V~400V应用场合1的输出：110V/10A应用场合2的输出：220V/5A工作频率f:100~200kHz主开关S1,S2,S3,S4:IRF460整流二极管DR1,DR2:BYV26C变压器TR:n=46:12,Lm=260μH,漏感:55μH；L1和L2集成于TR中。谐振电容C1:19.8nF图3柔性变流器的拓扑子集1Fig.3Topologysubclassofaflexibleconverter1图4变拓扑柔性变流器的实施例1Fig.4Example1offlexibleconverter图5实验波形1Fig.5Experimentalwaveform1图5所示的分别是两种拓扑下的波形。可以看到两种输出电压下各个元器件的波形基本相同，说明它们具有相同的电压电流应力。表1所示的是不同输入电压下110V/10A输出和220V/5A输出时的效率。可以看到两种拓扑下的效率基本相同。表2进一步说明这两种拓扑应力对等(以子拓扑1的输出电压作为VO)。表1不同输入电压下两种输出模式的效率对比Tab.1Efficiencycomparisonbetweentwooutputmodesundervariousinputvoltages240V280V320V360V400V110V93.2%94.5%95.6%96.1%96.4%220V93.3%94.5%95.7%96.2%96.4%TRS2S1S3S4C3VinC1C2D1D4D2D3C4P1P2P3P4L1L2表2变拓扑子集实例1主要元器件应力分析Tab.2Stressanalysisforexample1子拓扑1子拓扑2S1-4电压应力VinVinS1-4电流应力IinIinD1-4电压应力VOVOD1-4电流应力IOIO4.2基于燃料电池系统非连续电压输入范围的柔性变流器在燃料电池系统中，燃料电池和后备电池的电压往往没有交叠区域（例如燃料电池输出为200-400Vdc，后备电池电压为50-100Vdc）。此时采用输入电压区域优化的变拓扑子集比输入电压连续优化的变拓扑子集显得更有意义。图6显示了能够兼容燃料电池系统这一输入特性的变拓扑柔性变流器子集。该子集同样包含两个拓扑。拓扑1是一种改进型的推挽式LLC谐振变流器，可用于高压输入场合；拓扑2是经典推挽拓扑LLC谐振变流器，适用于低压大电流输入场合。图7是这一实例的具体电路实施形式。其电压输入范围为(50-100V)/(200-400V)，输出可兼容110V电力系统操作电源直流母线规范。当所有