雙向直流穩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
隨著新能源產業的發展，雙向直流穩壓電源變換器近年來得到了較多的關注和研究。雙向直流穩壓電源變換器由于其直流穩壓電源電路拓撲的優越性，不僅可以進行能量的雙向流動，而且具有效率高、體積小和穩定性強的優點。憑借著這些優點，雙向直流穩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壓電源、航空太陽能、電動汽車供電系統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，經常遭遇電力系統故障，為了保證其在供電系統發生故障時，仍然能夠正常工作，一般都為船舶額外配備了應急直流穩壓電源裝置。一旦船舶發生故障，導致船舶電力系統失靈，應急直流穩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壓電源展開研究，以雙向直流穩壓電源 全橋直流穩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壓電源，實現了較好的效果。
1 船舶應急直流穩壓電源
船舶應急直流穩壓電源系統是船舶供電系統中的一個關鍵部分，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，船舶應急直流穩壓電源可分為大的發電機組應急直流穩壓電源和小的蓄電池組備用應急直流穩壓電源，本文所研究的應急直流穩壓電源是蓄電池應急直流穩壓電源。
基于雙向直流穩壓電源變換器的船舶應急直流穩壓電源系統框圖如圖1 所示，大的應急直流穩壓電源由應急發電機、AC/DC直流穩壓電源變換器和負載組成; 小的應急直流穩壓電源由應急蓄電池組、雙向直流穩壓電源變換器和應急負載組成。
2 雙向直流穩壓電源變換器
船舶電源系統中的雙向直流穩壓電源變換器，是一種能量能夠雙向流動、直流穩壓電源電壓極性不變的直流轉直流直流穩壓電源變換器，其結構如圖2 所示。
U1和U2是雙向直流穩壓電源變換器的2 個端，2 端極性相同，都是上正下負，I1、I2分別為U1和U2端的輸入直流穩壓電源電流。直流穩壓電源變換器可以實現能量的雙向傳輸: 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，直流穩壓電源電流方向為I1 ＞ 0，I2 ＜ 0。
雙向直流穩壓電源變換器根據其的工作象限，可以分為直流穩壓電源電壓型和直流穩壓電源電流型，以及四象限雙向直流穩壓電源變換器。雙向直流穩壓電源變換器根據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壓電源變換器一般是通過在單項直流穩壓電源變換器中的二極管兩端反并聯開關管或是在開關管兩端反并聯二極管來實現能量的雙向傳輸。隔離型雙向直流穩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，實現了輸入輸出的電氣隔離，提高了系統的安全性。
3 雙向全橋DCDC 直流穩壓電源變換器
3. 1 直流穩壓電源電路拓撲
本文船舶應急直流穩壓電源中的雙向直流穩壓電源變換器采用的是隔離型直流穩壓電源變換器。該直流穩壓電源變換器為雙向直流穩壓電源變換器中常用的一種直流穩壓電源電路拓撲，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壓電源變換器。全橋雙向直流穩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壓電源的應用場合。
隔離型的直流穩壓電源變換器的拓撲結構如圖3 所示。直流穩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為直流穩壓電源變換器的2 個端口，左側直流母線側為直流穩壓電源電壓型全橋結構，右側電池組側為直流穩壓電源電流型全橋結構，直流母線與電池組之間可以實現能量的雙向流動，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電感之和，C1是濾波穩壓電容，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，不然直流穩壓電源變換器的效率將受較大影響。直流穩壓電源變換器中的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壓電源電壓開關創造條件，實現開關器件的ZVS 軟開關，從而可以有效減小直流穩壓電源變換器的開關損耗，降低開關噪聲，提高EMI 性能，為直流穩壓電源變換器提升開關頻率、提高工作效率、減小尺寸創造了條件。
3. 2 工作原理
雙向直流穩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，發電機發出的交流電經直流穩壓電源變換器轉變為直流母線直流穩壓電源電壓，為負載供電，同時經過雙向直流穩壓電源變換器，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，正常供電系統不能提供電能時，蓄電池將通過雙向直流穩壓電源變換器，將電池組中存儲的直流穩壓電源電壓轉變為直流母線直流穩壓電源電壓，通過直流母線給應急負載供電，滿足負載的應急用電需求。
傳統的應急直流穩壓電源，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。本文通過雙向直流穩壓電源變換器可以實現以下優點: 通過直流穩壓電源變換器可以維持船舶直流母線直流穩壓電源電壓的恒定，而不被電池組直流穩壓電源電壓所影響; 通過直流穩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
為提高直流穩壓電源變換器的性能，采用DSP 作為直流穩壓電源變換器的主控芯片，充分利用DSP 在數字信號處理方面以及開關器件驅動方面所具有的優勢
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
則直流穩壓電源變換器的輸出直流穩壓電源電壓的數學公式為:
式中: P 為直流穩壓電源變換器的輸出功率; Vin 為直流穩壓電源變換器的輸入直流穩壓電源電壓; L 為電感值; T 為工作周期。由公式可看出，雙向全橋DCDC 直流穩壓電源變換器的輸出直流穩壓電源電壓和多個因素有關，而不只是與輸入直流穩壓電源電壓和占空比有關。
由式( 2) 可推導出直流穩壓電源變換器的輸出功率的公式為:
由式( 3) 可看出，功率傳輸的方向與移相角有關，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，直流穩壓電源變換器所能傳輸的功率就越大。直流穩壓電源變換器通過DSP 對移相角進行閉環調節，可以在額定功率下，得到理想的輸出直流穩壓電源電壓。
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壓電源變換器的2 個端。對一些主要的參數進行測量，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 分別為直流穩壓電源變換器的電感直流穩壓電源電流波形、電感兩端直流穩壓電源電壓波形，由圖可以發現，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，說明直流穩壓電源變換器的EMI 性能較好。直流穩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，對直流穩壓電源變換器的軟開關特性進行了測量，直流穩壓電源變換器的開關器件均實現了ZVS 軟開關，整機效率達到了96%。
5 結語
隨著新能源產業的發展，雙向直流穩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壓電源的基礎上，對其中的DC － DC 直流穩壓電源變換器進行優化設計，選擇將直流穩壓電源變換器應用于船舶應急直流穩壓電源系統中，實現靈活的充放電控制。本文對直流穩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壓電源變換器的性能，搭建了原理樣機，并對主要的參數和波形進行了測試，取得了預期的效果，驗證了直流穩壓電源變換器在船舶應急直流穩壓電源中應用的可行性。
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