雙向直流穩(wěn)壓電源變換器在船舶應急電源中的應用
2017-7-5 9:25:31??????點擊：
引言
隨著新能源產業(yè)的發(fā)展，雙向直流穩(wěn)壓電源變換器近年來得到了較多的關注和研究。雙向直流穩(wěn)壓電源變換器由于其直流穩(wěn)壓電源電路拓撲的優(yōu)越性，不僅可以進行能量的雙向流動，而且具有效率高、體積小和穩(wěn)定性強的優(yōu)點。憑借著這些優(yōu)點，雙向直流穩(wěn)壓電源變換器在多個領域得到了廣泛的應用，尤其是在應急直流穩(wěn)壓電源、航空太陽能、電動汽車供電系統(tǒng)等領域得到越來越多的應用。
船舶作為重要的海上交通運輸工具，航行條件相對比較惡劣，經(jīng)常遭遇電力系統(tǒng)故障，為了保證其在供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，仍然能夠正常工作，一般都為船舶額外配備了應急直流穩(wěn)壓電源裝置。一旦船舶發(fā)生故障，導致船舶電力系統(tǒng)失靈，應急直流穩(wěn)壓電源將提供短時的電力供應，以保障船舶的安全運行以及工作人員的人身安全。
本文對船舶應急直流穩(wěn)壓電源展開研究，以雙向直流穩(wěn)壓電源 全橋直流穩(wěn)壓電源變換器作為主拓撲，設計一種適用于船舶的應急直流穩(wěn)壓電源，實現(xiàn)了較好的效果。
1 船舶應急直流穩(wěn)壓電源
船舶應急直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)是船舶供電系統(tǒng)中的一個關鍵部分，主要功能是在主電源由于客觀原因不能供電時，向船舶上的一些應急負載供電。按照功率大小，船舶應急直流穩(wěn)壓電源可分為大的發(fā)電機組應急直流穩(wěn)壓電源和小的蓄電池組備用應急直流穩(wěn)壓電源，本文所研究的應急直流穩(wěn)壓電源是蓄電池應急直流穩(wěn)壓電源。
基于雙向直流穩(wěn)壓電源變換器的船舶應急直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)框圖如圖1 所示，大的應急直流穩(wěn)壓電源由應急發(fā)電機、AC/DC直流穩(wěn)壓電源變換器和負載組成; 小的應急直流穩(wěn)壓電源由應急蓄電池組、雙向直流穩(wěn)壓電源變換器和應急負載組成。
2 雙向直流穩(wěn)壓電源變換器
船舶電源系統(tǒng)中的雙向直流穩(wěn)壓電源變換器，是一種能量能夠雙向流動、直流穩(wěn)壓電源電壓極性不變的直流轉直流直流穩(wěn)壓電源變換器，其結構如圖2 所示。
U1和U2是雙向直流穩(wěn)壓電源變換器的2 個端，2 端極性相同，都是上正下負，I1、I2分別為U1和U2端的輸入直流穩(wěn)壓電源電流。直流穩(wěn)壓電源變換器可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸: 當能量從U1傳遞到U2端時，能量為正向傳輸，直流穩(wěn)壓電源電流方向為I1 ＜ 0，I2 ＞ 0; 當能量從U2傳遞到U1端時，能量為正反向傳輸，直流穩(wěn)壓電源電流方向為I1 ＞ 0，I2 ＜ 0。
雙向直流穩(wěn)壓電源變換器根據(jù)其的工作象限，可以分為直流穩(wěn)壓電源電壓型和直流穩(wěn)壓電源電流型，以及四象限雙向直流穩(wěn)壓電源變換器。雙向直流穩(wěn)壓電源變換器根據(jù)U1和U2兩端是否有隔離，可以分為隔離型和非隔離型2 種。非隔離線雙向直流穩(wěn)壓電源變換器一般是通過在單項直流穩(wěn)壓電源變換器中的二極管兩端反并聯(lián)開關管或是在開關管兩端反并聯(lián)二極管來實現(xiàn)能量的雙向傳輸。隔離型雙向直流穩(wěn)壓電源變換器是在兩個端口加上了變壓器等隔離器件，通過磁耦合，實現(xiàn)了輸入輸出的電氣隔離，提高了系統(tǒng)的安全性。
3 雙向全橋DCDC 直流穩(wěn)壓電源變換器
3. 1 直流穩(wěn)壓電源電路拓撲
本文船舶應急直流穩(wěn)壓電源中的雙向直流穩(wěn)壓電源變換器采用的是隔離型直流穩(wěn)壓電源變換器。該直流穩(wěn)壓電源變換器為雙向直流穩(wěn)壓電源變換器中常用的一種直流穩(wěn)壓電源電路拓撲，原副邊都采用全橋結構，中間通過變壓器進行隔離的雙向直流穩(wěn)壓電源變換器。全橋雙向直流穩(wěn)壓電源變換器與其他拓撲相比，開關管的應力較小，可以進行較大功率的傳輸，適用于船舶應急直流穩(wěn)壓電源的應用場合。
隔離型的直流穩(wěn)壓電源變換器的拓撲結構如圖3 所示。直流穩(wěn)壓電源變換器由左右2 個全橋、變壓器、諧振電感等組成。其中Vln和Vbat為直流穩(wěn)壓電源變換器的2 個端口，左側直流母線側為直流穩(wěn)壓電源電壓型全橋結構，右側電池組側為直流穩(wěn)壓電源電流型全橋結構，直流母線與電池組之間可以實現(xiàn)能量的雙向流動，進行充電和放電。Lr1、Lr2分別為原副邊的變壓器等效漏感與外部串聯(lián)電感之和，C1是濾波穩(wěn)壓電容，L2在充電模式時充當濾波電感的作用，在放電模式時充當儲能電感的作用。
由于雙向直流穩(wěn)壓電源變換器含有8 個開關管，開關管的開關損耗需要引起格外的注意，不然直流穩(wěn)壓電源變換器的效率將受較大影響。直流穩(wěn)壓電源變換器中的Lr1、Lr2與開關管的寄生電容構成諧振回路，為開關管的零直流穩(wěn)壓電源電壓開關創(chuàng)造條件，實現(xiàn)開關器件的ZVS 軟開關，從而可以有效減小直流穩(wěn)壓電源變換器的開關損耗，降低開關噪聲，提高EMI 性能，為直流穩(wěn)壓電源變換器提升開關頻率、提高工作效率、減小尺寸創(chuàng)造了條件。
3. 2 工作原理
雙向直流穩(wěn)壓電源變換器有充電模式和放電模式2種工作模式。其工作原理是: 當供電正常時，發(fā)電機發(fā)出的交流電經(jīng)直流穩(wěn)壓電源變換器轉變?yōu)橹绷髂妇€直流穩(wěn)壓電源電壓，為負載供電，同時經(jīng)過雙向直流穩(wěn)壓電源變換器，為電池組充電，直至充滿，當充滿電時，雙向直流穩(wěn)壓電源 停止工作，不再進行功率轉換; 當船舶遇到故障，正常供電系統(tǒng)不能提供電能時，蓄電池將通過雙向直流穩(wěn)壓電源變換器，將電池組中存儲的直流穩(wěn)壓電源電壓轉變?yōu)橹绷髂妇€直流穩(wěn)壓電源電壓，通過直流母線給應急負載供電，滿足負載的應急用電需求。
傳統(tǒng)的應急直流穩(wěn)壓電源，直接在直流母線上并接備用蓄電池，蓄電池一直處于充電和放電狀態(tài)。本文通過雙向直流穩(wěn)壓電源變換器可以實現(xiàn)以下優(yōu)點: 通過直流穩(wěn)壓電源變換器可以維持船舶直流母線直流穩(wěn)壓電源電壓的恒定，而不被電池組直流穩(wěn)壓電源電壓所影響; 通過直流穩(wěn)壓電源變換器可以對蓄電池進行靈活有效的充放電管理，從而可優(yōu)化電池的使用方式，提高電池組的使用壽命。
3. 3 控制策略
為提高直流穩(wěn)壓電源變換器的性能，采用DSP 作為直流穩(wěn)壓電源變換器的主控芯片，充分利用DSP 在數(shù)字信號處理方面以及開關器件驅動方面所具有的優(yōu)勢
在開關管的控制方面，采用移相PWM 控制策略，以圖3 中左邊的全橋為例，通過DSP 控制Q1與Q4管之間的驅動信號，讓兩個開關管的驅動信號之間固定的移相角α，在驅動信號的驅動下，Q1和Q4就會先后導通。
假設直流穩(wěn)壓電源變換器左邊全橋相對于右邊全橋的移相角為，定義
則直流穩(wěn)壓電源變換器的輸出直流穩(wěn)壓電源電壓的數(shù)學公式為:
式中: P 為直流穩(wěn)壓電源變換器的輸出功率; Vin 為直流穩(wěn)壓電源變換器的輸入直流穩(wěn)壓電源電壓; L 為電感值; T 為工作周期。由公式可看出，雙向全橋DCDC 直流穩(wěn)壓電源變換器的輸出直流穩(wěn)壓電源電壓和多個因素有關，而不只是與輸入直流穩(wěn)壓電源電壓和占空比有關。
由式( 2) 可推導出直流穩(wěn)壓電源變換器的輸出功率的公式為:
由式( 3) 可看出，功率傳輸?shù)姆较蚺c移相角有關，移相角為正時，左邊全橋領先于右邊全橋一個角度，能量由左邊傳向右邊，為充電模式，反之為放電模式。傳輸功率的大小也與移相角呈正相關關系，移相角越大，直流穩(wěn)壓電源變換器所能傳輸?shù)墓β示驮酱?。直流穩(wěn)壓電源變換器通過DSP 對移相角進行閉環(huán)調節(jié)，可以在額定功率下，得到理想的輸出直流穩(wěn)壓電源電壓。
4 實驗驗證
在充分利用實驗室的條件下，搭建雙向全橋DC－ DC 直流穩(wěn)壓電源變換器的實驗平臺，以直流電源和鉛酸蓄電池作為直流穩(wěn)壓電源變換器的2 個端。對一些主要的參數(shù)進行測量，對一些重要的波形進行測試和分析，以驗證直流穩(wěn)壓電源變換器的工作性能。
圖4 為在充電模式下，額定功率3 kW 時，工作頻率為100 kHz，采用移相PWM 控制策略時測量的實驗波形。
其中通道1 和通道2 分別為直流穩(wěn)壓電源變換器的電感直流穩(wěn)壓電源電流波形、電感兩端直流穩(wěn)壓電源電壓波形，由圖可以發(fā)現(xiàn)，采用移相PWM 控制策略，可以較好的傳輸功率，同時波形很干凈，沒有較大的毛刺，說明直流穩(wěn)壓電源變換器的EMI 性能較好。直流穩(wěn)壓電源變換器采用的是完全對稱器件，在放電模式下的波形和充電模式下的主要波形，并無較大不同。
另外，對直流穩(wěn)壓電源變換器的軟開關特性進行了測量，直流穩(wěn)壓電源變換器的開關器件均實現(xiàn)了ZVS 軟開關，整機效率達到了96%。
5 結語
隨著新能源產業(yè)的發(fā)展，雙向直流穩(wěn)壓電源變換器得到了越來越多的應用和研究。本文在研究船舶應急直流穩(wěn)壓電源的基礎上，對其中的DC － DC 直流穩(wěn)壓電源變換器進行優(yōu)化設計，選擇將直流穩(wěn)壓電源變換器應用于船舶應急直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)中，實現(xiàn)靈活的充放電控制。本文對直流穩(wěn)壓電源變換器的拓撲結構、工作原理和控制策略進行了分析和研究，為了充分驗證直流穩(wěn)壓電源變換器的性能，搭建了原理樣機，并對主要的參數(shù)和波形進行了測試，取得了預期的效果，驗證了直流穩(wěn)壓電源變換器在船舶應急直流穩(wěn)壓電源中應用的可行性。
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