（电力系统及其自动化专业论文）应用于超导储能的双向dcdc变换器的研制.pdf

软件系统的设计原理，本装置的控制系统核心c p u 采用t i 公司 的d s p 芯片r i m s 3 2 0 f 2 4 0 ，控制系统软件采用汇编语言编程，执 行效率高、速度快。在本文的最后，给出了所研制的应用于超导 储能双向d c d c 变换器装置在多种实验状况下的波形，并对实 验结果进行了详尽的分析。 关键词：超导储能，超导线圈，双向直流变换器，d s p 北京交通大学硕士学位论文 d e s i g n0 ft h eb i d i r e c l l o n a ld c d c c o n v e r t e ra _ p p l 【e di ns m e s a b s t r a c t t h e t e c h n i q u e o f s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g y s t o r a g e ( s m e s ) c a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h es y s t e ms t a b i l i 够a n d e l e d r i c a le n e r g yq u a n l i 锣o ft h ep o w e rs y s t e m w i t ht 1 1 ec m c i a l b r e a k t h r o u g h o f p o w e re l e c t r o n i c s a n d h i g h t e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t i v i 妙t e c h n i q u ei nr e c e n ty e a r s ，s m e sh a v eb e r e s p e c t e d m o r et h e d e v i c eo fs m e si sc o n s i s t e do f i n v e r t e r ，b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e ra n ds u p e r c o n d u c t i n g c o 订b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e rw h i c hi st h e b r i d g eo f 1 i n k i n gi n v e r t e ra n ds u p e r c o n d u c t i n gc o i lh a st h ef u n c t i o no f c o n v e r t i n ga n dd e l i v e r i n ge n e r g y i t c a ns u p p i yt h e s u p p o r t v o l t a g ef o rc h a n g i n gp h a s eo fi n v e r t e ra n de x p o r te n e r g yf o r t h ei n v e r t e r ，si n t e r c o n n e c t i n ge l e c t r i cu t i l i t y1 i n e sb yc h o p p i n g i l l 北京交通人学硕i 学位论文 t h ec u r r e n ti n s u p e r c o n d u c t i n g c o i l i ta l s oc a na c c e p tt h e i n v e r t e r ，s e n e r g yf r o me l e c t r i c l i n e sa n ds t o 豫g ee n e r g yi n s u p e r c o n d u c t i n gc o i l ，a c c o m p l i s hc h a r g e a n d d i s c h a r g e f u n c t i o n ，a n ds u p p l yc o m p l e t ec i r c u i tf o rs u p e r c o n d u c t i n gc o i l i no r d e rt o s t o r a g ee n e r g y s o t h eb i d i r e c t i o n a ld c d c c o n v e t e rh a st h ef a t e la c t i o nf o rt h ew h o l ed e v i c eo f s u p e r c o n d u c t i n gm a g n e t i ce n e r g ys t o r a g e a i m i n ga t t h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wv o l t a g ea n d 1 a r g e c u r r e n to fs u p e r c o n d u c t i n gc o 订，an o v e lb i d i r e c t i o n a ld ct od c c o n v e r t e ri s p r o p o s e d o nt h eb a s eo fs e v e r a l b a s i cd c c o n v e r t e r s ，t h em o d e lm a d l i n eo f2 0 k v ah a sb e e n a c c o m p l i s h e di nl a b t l l i sp a p e rf i r s tr e v i e w st h ea p p l i c a t i o na n d d e v e l o p m e n to fs m e ss y s t e mg e n e r a l l y ，e x p l a i n sa n da n a l y z e st h e c i r c u i ts t m c t u r ea n dt h eo p e r a t i o n p r i n c i p l e s o f t h e g i v e n c o n v e r t e ri nd e t a i l s ，m e ni t p r o p o s e st h ed e s i g no ft h em a i n c i r c u i t ，c o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h ec o r eo ft h e c o n t r o l s y s t e mh a r d w a r e i s d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 一t m s 3 2 0 f 2 4 0 ， a n dt h e s y s t e ms o f t w a r e i sr e a l i z e dw i t h a s s e m b l e l a n g u a g e a t t h ee n do ft h i s p a p e r ，t h e r e a r e l v 。 北京交通大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a lw a v e f o r m so ft h eb i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e t e r f o rt h e a p p l i c a t i o no fs m e si n d i f f e r e n ts i t u a t i o n sa n dt 1 1 e a n a l y s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o 如：s u p e r c o n d u c t i l l gm a g n e t i ce n e 唱ys t o r a g e s m e s ， s u p e r c o n d u c t i n gc o i l ， b i d i r e c t i o n a ld c d cc o n v e r t e r ，d s p v 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 随着现代社会对电力能源的严重依赖，电力系统变得越来越庞大，也越 来越复杂。为实现“充足、可靠、优质、经济”的电力供应，新的技术成果 正不断地被应用到电力系统的规划、建设和运行中。由于储能技术能有效改 善电力系统的供电质量与稳定运行，所以储能技术尤其是超导储能技术的发 展一直备受关注，近几年来，电力电子技术、超导磁体技术以及低温超导技 术等都获得重大突破，超导储能技术也由此更加受到重视。随着对储能技术 的深入研究和开发，电力系统中将产生一种新的元件储能元件，它将和 其它元件( 发电、输电和配电等装置) 一样成为电力系统的重要组成部分。 作为直接存储电磁能的超导储能系统在电力系统中有着广泛的应用前景。 超导储能是利用超导体制成的线圈，由电网提供励磁电流而产生的磁场 储存能量，在需要时再将此能量送回电网或做其它用途。超导磁体中所储存 的能量可以由式1 1 表达： ，昙：( 1 1 ) 2 、 7 式( 1 1 ) 中：一储存的能量( j ) ：l 一线圈的电感( 日) ：，一线圈的励 磁电流( 爿) 。 如果线圈采用常规导线绕制，则线圈中储存的能量有一部分将消耗在线 圈及其回路的电阻上：但如果线圈由超导线绕成并维持在超导态，则线圈中 所储存的能量可以几乎是无损耗的永久储存下去直到需用时。 由于超导储能装置所储存的是电磁能，因此它与其他形式的储能如蓄电 池储能、压缩空气储能、抽水储能和飞轮储能等相比有许多明最的优点： 由于超导储能可长期无损耗的储存电能，其应用效率可高达9 5 。 由于超导磁体所储存的是电磁能，它与电网的连接可通过电力电子交流 北京交通大学硕士学位论文 器来实现，因而响应速度快。 由于功率调制系统的容量和超导磁体储能规模可以独立的在大范围内选 取，所以根据实际需求可以将超导储能系统建造成各种等级的装置，超 导储能系统中除了真空和制冷系统外没有转动部件，因此系统的寿命很 长。 超导储能还具有建造不受地点限制，维护方便和无污染等优点。 1 2 超导磁体储能的发展概况 自1 9 1 1 年o n n e s 发现低温超导现象后，人们首先认识到的是它作为储 能装置的优点，各国都纷纷开始在这一领域开展研究。 由于高温超导材料的发现和发展，结合快速发展的电力电子技术，自 1 9 8 8 年来超导储能的电力应用又进入了一个新时期。高温超导材料的实用化 将会逐步降低整个超导储能系统的价格，简化冷却手段而简化制冷机和杜瓦 容器，并极大的简化运行并提高其性能和寿命。因此芬兰、德国和以色列等 各国都纷纷开始研制高温超导微型超导储能装置。超导储能技术获得了飞速 发展，正逐渐走向实际应用。 我国于6 0 年代中期开始低温超导研究工作以来，曾结合高能加速器、 核聚变、磁流体发电、单极发电机、磁分离、核磁共振成像和科学仪器等方 面开展了大量工作，在超导材料、超导磁体、低温技术及其应用等方面奠定 了一定基础。也建立和培养了一支超导技术应用的队伍，高温超导材料的研 究和线材的研究也取得了可喜的成绩，这些都为超导储能的研究和开发打下 了基础和准备条件。 1 3 超导储能的应用范围。 由于超导磁体储能系统具有快速吸收、释放和储备电能等优点，这为它 参与改善电力系统供电质量提供了有利条件。超导储能在电力系统的应用可 北京交通大学硕士学位论文 以分为以下几个方面： 平衡电网负载变化 大型的超导储能系统由于具有极大的电能存储能力，因此可以 用来平衡电网的日高峰负载和夜低谷负载；超导储能系统还可用于 海岛供电系统，因为海岛与大陆联网的造价高，一般采用燃气轮机 独立发电并成网，超导储能系统可参与平衡负载调节等；超导储能 系统还可以用作太阳能和风能发电的能量储备环节。风力发电将产 生脉动的功率输出并将为配电网带来许多问题，而超导储能可使风 力发电系统的输出平滑而满足配电电网的要求。 结合柔性交流输电技术提高电力系统的稳定性【5 l 从电力系统整体的稳定性来讲，目前人们关注的主要是功率稳 定、频率稳定和电压稳定问题。柔性交流输电( 酗c r s ) 技术的引 入可以以主动的方式有效地改善电力系统的安全和稳定，如果将超 导储能系统与柔性交流输电技术相结合，则储能系统不仅仅只是一 个蓄能的装置，而且还是一个能够参与电力系统运行和控制的有功 功率源，因此有人将这种情况下的超导储能称为超导能量管理 ( s m e s ) 。作为动态型的电力系统的能量存储环节，超导储能系统 可以在电力系统主要部件发生故障时能为系统提供能量，并为发电 设备的起动提供功率，也为在地区性故障后为电网的恢复提供能量。 超导储能系统还可用来消除电力系统中的低频振荡，稳定电力系统 的频率和电压。超导储能系统可用于无功功率控制和功率因数的调 节，以提高输电系统的稳定性和功率传输能力。 结合用户电力技术改善配电质量和用户供电质量 本着“对配电网中发生的异常或因主网受干扰而影响配电网向 用户供电中产生的异常，则应在配电网中或用户侧采样新技术措施 北京交通丈学硕士学位论文 予以解决”这一点出发，n - g h i n 9 0 r a n i 博士在1 9 8 8 年提出了基于电 力电子技术应用的用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 这是一个用于改 善配电系统的新技术，世界各国电力界都对此给予极大的重视和关 注，小型或微型超导磁体储能系统是用户电力技术应用方案中的一 个重要单元。作为直流蓄能器，它与相应的变流器结合可以作为敏 感负载的和智能大楼的不问断电源；它与动态电压恢复器( d l ) 配合，可以减少或消除短时停电、电压瞬态突降、谐波、瞬态脉冲 或瞬态过压等干扰对用户侧的冲击；与静态调相器配合，还可以有 效的在低耗下控制次级侧的无功功率和有功功率，同时还能起到有 源滤波器的作用。而且其快速的能量补充功能还可以减少用户中的 冲击负荷对配电网的不良影响。超导储能还可用来补偿大型电动机 起动、焊机、电弧炉、大锤、轧钢机等波动负载从而减少电网闪变 现象。 1 4 本课题的研究背景及本文的内容概要 中小型超导储能系统的的一个重要应用是改善输电系统瞬态和稳态的稳 定运行。目前超导储能的研究比较多的集中于这一方向。以往的研究一般比 较注重的是装餮的控制策略和改善电网的效果，对超导储能系统电路结构的 研究相对较少。超导储能系统变换电路部分由逆变器和d c 变换器组成。逆 变器实现超导装置与电网能量的交换；d c 变换器是超导磁体与逆变器之间 的桥梁，实现逆变器与超导线圈之间的能量交换，并在没有能量交换时为超 导线圈续流实现能量的存储。d c 变换器的工作性能的好坏对整个超导储能 装置的可靠、稳定运行是非常重要的。因为流过超导线圈的额定电流很大一 般达上千安培，而超导线圈工作电压因为损耗很低仅有几十伏，又因为大多 数现有类型的双向d c d c 变换器都是应用在小电流、低功率条件下，不能满 足超导应用的特殊要求。所以本文针对超导线圈的的特点提出了一种新的双 北京交通大学硕士学位论文 向d c d c 变换器电路拓扑，并成功研制出了一台额定功率为2 0 k v a 的样机。 本文首先介绍了超导储能的发展概况和应用，说明了d c 变换器在超导 储能中的作用。第二章重点分析和讨论了新型的应用于超导储能双向d c 变 换器的电路拓扑和其工作原理。第三章、第四章分别介绍了此d c 交换器的 主电路设计和控制系统的软、硬件设计原理。第五章讨论了装置的电磁兼容 设计原理。第六章介绍了装置监控系统的原理和结构。最后给出了实验相关 波形，并对其进行了分析。说明了实验过程中遇到的问题、实现的程度和一 些仍需解决的问题，给出了结论。 北京交通大学硕士学位论文 第二章应用于超导储能的双向d c 变换器的工作原理 本章结合超导储能的特点，在几种基本的直流变换器的基础上提出了一 种新型的双向d c ，d c 变换器电路拓扑，并详细分析了其在不同工作状态下 的工作原理。 2 1d c 变换器的基本电路拓扑 d c d c 变换器，它是将一种直流电能转换成一种或多种直流电能的变换 器。经过几十年的发展形成了几种基本的d c 变换器拓扑结构，而所有不同 形式的d c 变换器都可以归纳为几种基本的d c 变换器拓扑的一种或几种的 组合。d c d c 变换器按输入输出间是否有电气隔离又可分为两类：没有电气 隔离的称为不隔离型的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离型直流变换 器。 2 1 1 非隔离型d c d c 变换器嘲” 基本的非隔离型d c d c 变换器有降压式( b u c k ) 变换器、升压式( b o o s t ) 变换器、和升降压式( b u c k b o o s t ) 变换器，它们的电路拓扑结构和工作模 式分别如图2 1 、2 2 、2 3 所示。由图可以看出非隔离型的d c d c 变换 器主电路一般由开关管q 、二极管d 、电感工，和输出滤波电容c ，等元件构成。 开关管q 的控制信号为p w m 信号，占空比用d ，表示，通过改变d ，即改变一 个开关周期中开关管的导通时间7 o 来调节输出电压幅值，它们的输入输出 电压的基本关系分别为： 屹ad 。虼 k 一d ， 圪一d ，( 1 一d ，) ( 2 1 ) 北京交通大学硕士学位论文 盘弼【1lj f 1 ) o n n 啦) oo h f i g u r e2 1c i r c u i t 蛆dw o r k i n g m o d e lo fb u c kc o n v e r t e r 图2 1b u c k 电路及其工作模型 f i g u r e2 2c i r c u i ta n dw o r k m gm o d e l o fb 0 0 s tc o n v e r t e r 图2 2b o o s t 电路及其工作模式 厂 。厂 o _ t ” 哔t 警c ，书丰 1，【一l ( a ) qo h 7 ( b ) oo f f 北京交通大学硕士学位论文 f i g u r e2 3d r c u i ta n dw o r k i n gm o d e l o fb u c k b o o s tc o n v e r t e r 圈2 3b u c k b 0 0 s t 电路及其工作模式 2 1 2 隔离型d c d c 变换器 隔离型d c d c 变换器是指输入与输出间通过隔离元件耦合的直流变换 器，隔离元件一般采用变压器，主要包括正激式( f o r w a r d ) 变换器、反激 式( f l y b a c k ) 变换器、推挽( p u s h p u l l ) 变换器以及带隔离变压器的半桥 ( h a l f - b r i g h t ) 变换器和全桥( f u l l _ b r i d g e ) 变换器等。它们的拓扑电路 如图2 4 图2 8 所示。隔离型d c d c 变换器中，开关管一般也按p w m 方 式工作，变换器稳定工作时开关管控制信号的占空比为d 。与非隔离型 d c d c 变换器相比，它加入了隔离变压器进行输入输出隔离和电压升降的调 节，因此具有更宽的电压调节范围，隔离变压器的原副边匝数比足t 嘭幺， 通过改变k 的大小，可以更大范围的对输入电压进行变换。 正激式变换器中，其输入输出关系为： 。q 。形( 2 哪 ，k 。 反激式变换器中，变换器相当于一对耦合电感，变换器工作在电流方式 时，输入输出电压的基本关系为： q + 也m 3 ) f i g u r e2 4f o r w a r dc o n v e r t e r 图2 4 正激式变换器拓扑 f i g u r e2 5f l y b a c k c o n v e r t e r 图2 5 反激式变换器拓扑 + 一 霉衄 留 北京变通大学硕士学位论文 叠弼三兰四笋圣 f i g u r e2 6h a l f _ b r i d g ec o n v e r t e r 图2 6 半桥式变换嚣拓扑 f i g u r e2 7p u s h - p u uc o n v e r t e r 图2 7 推挽式变换器拓扑 瀚 一 6 一 、日q 3 2 邕垒当，十一 一 0 1d 2 q 。2 d 3 d 。 f i g u r e2 8f u l l - b r i d g ec o n v e r t e r 图2 8 全桥式变换器拓扑 推挽式变换器、半桥直流变换器和全桥直流变换器都属于d c a c d c 变换器， 它们都是先将直流输入电压变换成交流方波电压后，通过变压器进行隔离降 压然后，再通过整流电路变换成直流输出，通过改变开关管控制信号的占空 比d 。改变交流电压的有效值，从而改变输出直流电压幅值。它们的输入输 出电压关系都为： = d ，+ ( 2 _ 4 ) 推挽变换器中变压器绕组嘶，；= 喇，啦，；嘎：一啦，q 2 碜幺，乙为q 】、 q ：稳定工作时的导通时间。半桥变换器和推挽式变换器最大的区别在于推挽 式变换器开关管关断时两端电压为电源电压的两倍，变压器原边电压幅值为 电源电压；而半桥变换器开关管关断时两端电压为电源电压，变压器原边电 压幅值为电源电压的一半。 全桥变换器拓扑是目前国内外d c d c 变换器设计中最常使用的拓扑之 一。与单端变换器和半桥电路相比，全桥d c d c 变换器开关器件的电压电流 北京交通大学硕士学位论文 应力较低，变压器原边流过正反两个方向的电流，充分利用了其磁心磁滞回 线的正负两部分，变压器利用率较高。由于这些原因，全桥d c d c 变换器更 适用于中大功率场合。根据供电方式的不同( 输入端所连接的储能元件可以 是电容或电感) ，全桥变换器又分为电压型和电流型两大类，其中以电压型 应用更为广泛。 2 2 本文所提出的新型双向d c d c 变换器结构及其工作原理 2 2 1 对应用于超导储能的双向d c d c 变换器的特殊要求 根据超导储能应用的特殊性，应用于超导储能的双向d c d c 变换器应满 足以下特殊要求：为超导线圈充、放电的功能，即要求该d c d c 变换器能 够实现电能的双向流动；超导储能装置的设计功率比较大；直流支撑电容电 压u ，额定值为7 0 0 v ，而超导线圈的额定电压较低仅为为几十伏左右，输入 输出电压交化范围大；超导线圈的额定电流很大为1 0 0 0 a 。综上，要求该变 换器应具有能量双向流动、大电流、高功率等特点且应采用隔离变压器进行 电气隔离和提高调压范围。 2 2 2 新型超导储能d c d c 变换器的电路拓扑 f i g t l r e2 9t h em a i nd f 锄i ts t n l c m r e 图2 9 所提出的主电路原理图 s c 北京变通大学硕士学位论文 针对超导储能的特点，本文提出了新型双向d c d c 交换器的电路拓扑。 如图2 9 所示，它由原边电路、副边电路和隔离变压器三部分组成，原边 电路包括： 中间电压环c 。、q 。一q 。4 个全控型器件i g 盯组成的全桥、隔直 电容c ：；副边电路包括：整流二极管三k 。、d k ：、全控型m o s f e t 开关管m 。、 m ：和超导线圈工，。变压器原边绕组匝数为m ，副边两个绕组匝数相等且 ，= ：；。 在分析变换器工作原理之前，先作如下假设： 变换器已达到稳态工作状态；m o s f e t 视为理想开关器件；忽略二级管 换流时的反相恢复电流的影响，换流过程很短，忽略线路及变压器的漏感影 响；变压器的激磁电感。足够大，因此激磁电流很小。 电路工作方式按照功能可分为充电工作模式和放电工作模式。充电工作 模式的等效电路和工作原理类似于全桥d c c 变换器。而放电工作模式原 理类似于推挽电路的工作原理。下面分别对充、放电原理进行介绍。 2 ，2 ，3 原边对副边充电工作模式原理分析 充电工作过程是把中间直流电容c 上的电压经过变换后，加在副边的 超导线圈上，给电感l 。充电，使流过超导线圈的电流线性增长最终达到额 定电流，同时中间电容电压下降。然后上级的逆变器再从电网给中间电容补 充能量。这样实现了能量从电网到超导线圈的传递，即电路的原边电容向副 边超导线圈的充电。其中流过电感| 乙。的电流所建立的电磁场实现了能量的 存储，存储的电磁能为： p = 去l w ，k ( 2 5 ) 二 由公式可以看出额定电流，。越大存储的能量越多。充电过程的输入电 北京交通大学硕士学位论文 压k 为电容c 1 的电压；输出电压为电感电压。 岛：2 f i g u r e2 1 0t h ee q u i v a l e n tc j r c u no fc h a n g e s t a t e 2 一l o 充电状态等效电路 1 工作原理 充电工作状态下，副边的m o s 管m 。、m ：要求始终处在导通状态，通过 控制原边全桥来完成充电工作。这样把副边的两个开关管视为导线处理，再 啊、l 。 一 一 上j乞n ， 一 1 -i j ! 塞茎望查兰堡圭堂垡丝苎 p 8 q 1q 4q 2口3 ：m n 工虬。舰ii ：二么太：= 一一令：。 7 z 1 f 、 r 、 l 1 f i 弘r e 2 1 1t h ee q u i v a l e n td r c u i to fv a r i o u ss w i t c h i i i g s t a t ea n dw a v e f o 肌 t ne h a 。g em o d e l 图2 一1 1 充电时不同开关状态下的等效电路和波形图 把中间直流电容用等效电压源来处理，则如图2 1 0 所示电路等效为全桥直 流变流器来分析。它由全桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成， 也属于直流一交流一直流变换器。图2 1 0 中虚框内是变压器的漏感工。，下 面来分析工。= 0 时，全桥直流变换器的工作原理。图2 1 1 给出了其在不 同开关模态下的等效电路图和波形图。 如图2 一l la 所示，当开关管q ，、q 。导通时，变压器原边绕组上电压 t ，在副边绕组“+ ”端感应出“正”电势，使d 。，导通，p 。：受反相 电压而截止，此时加在超导电感l 。两端的电压为： - 圪 ( 2 喝) c c i 2 h 北京交通大学碰士学位论文 在电压的作用下，电流t w 开始线性增长。在f 一乙时，q 1 、q 。关 断，由于屯靶继续按原方向流动，所以副边绕组。和原边绕组瞩中的电流 也仍按原方向流动。即原边电流f 。仍然按照原方向流动，从线圈啊的“m ” 端流入，因为开关管q ，、q 。已经关断，所以电流f ，迫使原边二极管d ：、d ， 导通续流，从而使变压器原边电压一一、，且副边电压极性也翻转使二 极管d 。：承受正向电压导通。此时副边两个整流管二极管同时导通，将变压 器副边电压箝位为零，那么原边电压也变为零，因此zo 这时f ，= 0 。 而电流：一f m ：立即增长到f ：h ，2 2zf 。，此时暇中的电流为零，d ：、d ， 截止。因为。既，故o ：，。：昙k 超导线圈中的电流续流。实际上， 如果不考虑漏感，当q 。、q 。关断时出现负压的时间极短，故在图2 1 1 b 中没有表现出来。在 乙，l 2 时段，f 。在损耗的作用下下降，故 0 ：。- 妨：。也相应下降。在f 。瓦2 时，q ：、q 3 导通，反相，变压器绕组 电势“非”端为正，从零反向增长到一鲁f 。f 。，从三f 。降到零，k ： 从委f 。增长到k ，在 瓦2 ，乙+ 瓦2 期间，f 。又增长，故。和f ，也 相应增长，在t - 毛+ 瓦2 时，q ：、q ，关断，工作原理与q 。、q 。关断时类 似。 2 基本关系 设q 1 、q 。或q ：、q 3 的导通时间为乙，则。，；考易，电感电流连续时输 北京交通大学硕士学位论文 出电压表达式为 鳖。堕d 吃7 开关管q 。q 。上的电压为： 。：2 。2 一2 二极管d 1 d ：的电压为： ，2 。2 。2 。3 整流管d 。，、d 。：的电流最大值为： 。= ：= 警 超导电感电流f 。的平均值就是j 。即 il ；1 0 ( 2 7 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) f 。的脉动频率是开关频率的两倍，即 气= 2 丘 ( 2 1 2 ) 通过d 。、d 。：的电流最大值为： ，1 。，m ：。；，o + 三出。 ( 2 1 3 ) 茁c 是电感电流脉动量： k 2 鲁毒哆和嵋) 协 故 北京交通大学硕士学位论文 。吨一如+ 鲁。去d ，( 1 _ q ) 浯1 5 ) 因f 。，和f 。：就是流过变压器副边绕组的电流，若不计变压器的励磁电 流，那么变压器原边绕组电流的最大值为： k a 鲁”印2 器小d y ) 协 流过变压器原边的电流最大值，也就是流过开关管电流的最大值。二极 管d 1 d 。的最大电流为，一；。 3 考虑漏感时全桥直流变换器的工作原理 在实际电路中，变压器存在漏感，图2 1 2 给出了考虑变压器漏感时的 主要波形。由于漏感的存在，变换器的工作原理与前面不考虑漏感时有两点 不同： 一是当开关管关断时，p 么出现一段时间的反向电压，如图2 一1 2 中 阴影部分，第二是存在占空比丢失。 北京交通大学硕士学位论文 v l s c l 虻 z m l z 淋2 q 1q 4 q ，q 3 7 1 l ln 工啊l ： l ：么裂 糙少 ：7 一一一一 ， f 1 釉、 i n卜f f l g l l r e2 1 2v a r l o u ss w l t c m n g s t a t ew a v e f o r mm a f t e c t i o no fl e a k a g em d u c t a n c e 图2 1 2 考虑变压器漏感影响时不同开关状态下的波形图 如图2 1 2 所示，在l 时刻，当开关管q 1 、q 4 关断时，由于漏感的存 在，原边电流立即转移到d ：。d ，中去，此时；一吃，这个电压使输出 整流管d 。：也开始导通，这时输出整流管d 。，还在继续导通。由于两个整流 管同时导通，将变压器两端电压箝位在零位，那么变压器原边电压也为零。 因此p 么= 一就全加在漏感“上，使l ，线性下降，在f ，时刻，j ，下降到零， 此时二极管d ：、d ，关断，p 么= o 。 乇，f 。 时段的电压方波是j 。减小到零 所必需的，我们一般称之为复位电压，如图中阴影部分表示。同样当q ：、幺 关断时，也会出现反向的复位电压。 在瓦2 时刻，开关管q ：、q ，开通，= 一，此时原边电流f ，从零开 北京交通大学硕士学位论文 始反向上升。由于漏感限制它的上升率，在r ：时刻之前，f ，小于折算到原边 的滤波电感电流一鲁f 一，因此原边不足以提供负载电流，此时两个整流管 继续同时导通，降变压器副边电压箝位在零位，此时p ，l 。= 0 ，变压器原边电 压也为零，= 一圪那么全部加载漏感上，f ，线性反向增长。在f ：时刻，f ， 达到一鲁f m ，整流管。m 关断，滤波电感电流全部经。一z ，此时2 鲁吃。因此由于漏感限制了原边电流的上升率，使得虽然在 瓦2 ，f ： 时 段，= 一，但。= o ，也就是说，副边丢失了 瓦2 ，f ： 时段的电压 方波，如图中的阴影部分所示。这部分时间与b 2 的比值就是占空比d 。： ：参：亲鲁半 忉 若开关管的占空比为d 。，则变压器副边绕组电压的实际占空比为 d 。，一d 。一d 。( 2 1 8 ) 综上所述，漏感带来复位电压和占空比丢失两个问题。复位电压的存在， 使得我们在设计电路时要对最大占空比d ，进行限制，以留出复位电压的时 间。占空比丢失使得有效占空比减小，为了得到所要求的输出电压，必须减 小变压器的原副边匝数比。匝数比的减小会带来两个问题：原边的电流 增加，开关管的电流峰值要增加，通态损耗加大；副边整流桥的耐压值要 增加。为了减小复位电压的持续时间和占空比丢失，应该尽量减小漏感。 2 2 4 副边对原边放电工作模式原理分析 北京交通大学硕士学位论文 放电过程是当电网有功功率不足时，需要把超导线圈以电磁方式存储的 能量反馈给电网，提高电网的稳定性。先由上级逆变器把中间直流电容上的 电能逆变为交流电，然后当本级的d c 变换器检测到中间直流电压下降时， 就控制本双向d c d c 变换器工作，将超电线圈中存储的能量以电流源的形式 给中间电容c 1 充电，同时流过超导线圈的电流f 。逐渐下降，从而实现了能 量的反向流动即超导电感放电。 1 工作原理 如下图2 1 3 的放电状态的等效电路图所示，放电工作过程中，因为原 边的4 个开关管要求始终处于关断状态，则原边电路分析时可以等效为整流 桥；超导线圈等效成电流源；副边没有整流工作状态，所以在分析时把副边 的整流二极管也略去。 + d 1 j d 2 jl i = c 1 -_ 见】ld 。一l 0 号乏- 既盯， f i g u r e2 1 3n 悖e q u i v 赫tc i r c l l i to fd i s c h a r g ew o 埘n gs t 出 图2 1 3 放电工作的等效电路图 图2 1 4 分别给出了放电工作状态下，不同开关模态的等效电路图和波 形图。 北京交通大学硕士学位论文 肘1 m 2 z p 屹船 i _ d 】【 d 。j l jl i = c l l d ，】【d 】c - ( a ) 村1o f f -埘2o n 一 d 】【 d ：】l j = c l - d ，一【 d 】【 - 号，r 。t 瞳_ ， f b 号 0 1l s c il s c f 咖r e 2 1 4 龇e q u i v a l e n td r c u i t o fv a r i o u ss w i t c h i i l g s t a t ea n dw a v e f 0 n i nd i s c h a 。g em o d e l 图2 1 4 放电时不同开关状态下的等效电路和波形图 2 0 北京交通大学硕士学位论文 如图2 1 4 ( a ) 所示，当m ：导通、m ，断开时，副边电流源k 经过： 从变压器副边线圈：的“ 端”流入，经过高频隔离变压器变换，产生原边 电流从原边线圈的“$ 端”流出，f ，追使二极管d 。、d 。导通续流，实 现为电容c 。充电。变压器原边电压为，因为线圈。一：一，所以由电 路图可以推导出2 鲁。在k 时刻，m 。导通，如果忽略漏感的影响， 变压器副边线圈，在电压鲁的作用下导通，电流逐渐增长。所以， 副边的两个线圈同时导通，把副边电压箝位在零，同时原边电压也为零，二 极管d ，、d 。截止，f 。快速增长直到去f 。，两边线圈实现均流f 。，= ：一 吾f 。，进入续流状态如图2 1 4 ( b ) 所示。在昙瓦时刻，开关管m ：断开， 流过线圈。的电流，变为零，流过m ，的电流瞬间变为。并传递到变压 器原边由变压器原边的“女端”流出，f ， 一鲁k ，迫使二极舰、b 导 通续流，即为电容充电，直到时刻k + 三疋，m ：导通。在 k + 三b ，五 期间，电路的工作状态与 ，三瓦 是一样。这样通过控制副边开关管m 。、 m z 在每个周期中的关断时间的长短，即副边开关管的占空比。，- 等， 来控制给原边电容充电的平均电流的大小，即充电速度的快慢。充电电流t 的 大小为： 。k 十d 。 ( 2 一1 9 ) 北京交通大学硕士学位论文 充电时电感上的电压为： 一簧q ( 2 吨 2 2 5 控制策略 根据变换器充电和放电两个工作模式的不同，控制系统采用两个相互切 换的闭环分别控制的方法。当中间直流电容给超导线圈充电时，采用电流闭 环控制，用采样电流0 与指令电流相比较后，误差送入p i 调节器，计算 出原边全桥的占空比的大小，再产生相应的p w m l p w m 4 驱动信号来控制原 边全桥四个开关管的动作。控制充电占空比的大小即控制副边超导线圈的充 电电压p ：。的大小来决定充电的速度；当超导线圈向原边放电时采用电压闭 环进行控制，采样原边的电压与指令电压的进行比较后经p i 计算后，计算 出相应的占空比，控制副边开关管的关断时间的长短，即控制原边充电电流 f ，的大小来为中间电容充电。系统控制框图如图2 1 5 所示。 f i g u r e 2 1 5 t l m c o n t r o ls t r u c h l r eo f b i d i 她c t i o n a l d c t o d c c o n v e r t e r 圉2 15 双向d c ，d c 变换器的控制框圈 北京交通大学硕十学位论文 第三章主回路设计 3 1 主电路 因为本双向d c 加c 变换器不仅要求能量能够双向流动，而且放电工作 时副边的额定电流很大，因此主电路的结构和参数选择对整个系统能否安 全、可靠的工作具有至关重要的作用。本系统输入前端直流环节的电容电压 为7 0 0 v ，输出侧接超导线圈。系统主电路图如图4 1 所示，其中，尺。、曰：为 电容均压电阻，q 1 一q 4 为主开关管，c 。为直流支撑电容，j 。e m 为副边 超导线圈电流传感器，。删为直流侧电压传感器。d 。，、d 。：为副边整 流二极管。m 。、m ：为副边主开关管。d i s c h a r g es c r 为超导线圈的放电保 护装置。 3 2 开关器件的选择 3 2 1 原边开关器件的选择 本双向d c 变换器的原边开关器件采用的是全控型器件i g b t ，在i g b t 的 选择中，需要注意以下几个方面的问题： 夺电压容量：在i g b t 开关过程中，c 、e 两端电压尖峰不能超过器件的最 高耐压值，否则器件将被过压击穿而损坏。 夺电流容量：在i g b t 工作过程中，集电极峰值电流必须处在i g b t 开关安 全工作区以内( 即小于两倍的额定电流，。) 。 夺散热要求：i g b t 在开关过程中会产生大量开关损耗而使器件发热，因而 在选择器件时还必须综合考虑装置的散热条件。 北京交通大学硕十学位论文 。 古 n l 几_ 二l n l ul u i ni n l ui u 扣鼻 r pq 手。 士毒专 l 一q + j pp 可旷 j l j ps i ” i j _ 毫 e 1 ” “ o 鸯 | ：一 与 f 唔u r e3 1t h es t r u d u r eo fm a i nd r c u i t 图3 1 主回路原理图 分别从以上三个方面考虑，在本系统中，i g b t 的c 、e 两端承受的额定 电压为直流7 0 0 v ，考虑到器件开关过程中的电压尖峰的影响，选择耐压时要 留有足够的电压裕度，因而取i g b t 耐压为1 2 0 0 v 。在电流方面，考虑到最恶 劣的条件，选取了较大的电流裕度，留两倍的电流裕度，取额定电流为2 0 0 a 。 北京交通人学硕十学位论文 在本系统中，整流器的丌关频率为1 0 k h z ，而且工作电流大，为了保证开关 管的充分散热，而没有使用i p m 集成模块。在工作过程中开关管会产生一 定的开关损耗，并转化为热能，使i g b t 开关管温度升高，为了充分散热， 在机柜内采用了强迫风冷。 综上，本系统原边开关管最终采用了m i t s u b i s h i 公司的c m 2 0 0 d y 一2 4 h 双 i g b t 模块。主要参数为：耐压：1 2 0 0 v ，额定电流为2 0 0 a 。 3 2 2 副边开关器件的选择 针对副边电路所接超导线圈大电流、低电压的特殊工作特点，在设计副 边电路时，为保证其能可靠稳定的工作，器件特性的选取就显得尤为重要。 因为副边额定电流为1 0 0 0 a ，额定电压为5 0 v ，目前市场上能完全满足此特性 的开关管几乎没有，尤其是电流方面，一般全控型器件的最大额定电流只有 几百安培，所以从经济性、和实用性考虑，副边的开关管只有采用几个开关 管并联的方案才能满足要求。又因为i g b t 具有负温度特性，不适合并联使 用，而m o s f e t 具有正温度特性，在并联使用时具有自均流的特点，适合并 联使用。所以本项目采用了多个m o s f e t 并联使用的方案。 m o s f e t 参数的选择原则与i g b t 相似，因为副边额定电流为1 0 0 0 a ，考 虑到经济性和可选择性，采用三个m o s 管并联使用，每个的额定电流为5 8 0 a ： 副边额定电压为5 0 v ，正常工作时m o s f e t 所承受的最高平均电压为1 0 0 v 左 右，因为漏感和各种损耗的影响再考虑流出足够的裕度，耐压选为2 0 0 v 。 综上，最终选取了i x y s 公司的v m o5 8 0 0 2 f ，两组共六个。 主要参数为：v d s s = 2 0 0v i d 2 5 = 5 8 0a r d s ( o