CN114665723B - 串联谐振型三相dab变换器谐振电感电容参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联谐振型三相DAB变换器谐振电感电容参数设计方法，属于串联谐振型三相DAB变换器参数设计领域。该方法从采用移相控制的串联谐振型三相DAB变换器的回流功率、变换器最大电流、以及变换器电流有效值三方面出发,考虑变压器漏感为固定值，根据谐振电感、谐振电容与三者的制约规律，得到谐振电感参数的六个范围限定式，最后通过取数学交集得到谐振电感参数的可选范围，然后得到谐振电容参数。与其他方法比较，本发明方法得出的谐振电感范围选择性大，可以灵活选择单相实际串联电感，且谐振电感电容的串联谐振型三相DAB回流功率小，效率高。

Description

串联谐振型三相DAB变换器谐振电感电容参数设计方法

技术领域

本发明涉及串联谐振型三相DAB变换器参数设计领域，尤其涉及一种串联谐振型三相DAB变换器谐振电感电容参数设计方法。

背景技术

随着新能源技术的发展和直流电网技术的发展，对DC-DC变换器的要求越来越高，三相双有源桥(DAB)变换器作为双向DC-DC变换器中的一员，且具有功率等级高、可实现功率双向流动等优点，具有很大的发展前景。在其基础上，串联谐振型三相DAB变换器引入谐振，使电感电流变为正弦波或类正弦波，且谐振腔可以有效滤除变压器的直流成分，大大减少变压器涡流损耗，减小变换器体积。

近年来，随着DC-DC变换器的发展，对其效率要求越来越高，对变换器损耗要求越来越高，对于串联谐振型三相DAB变换器谐振参数的选择直接影响了变换器的效率和损耗。

针对上述问题，国内外专家提出了一些方法，主要有：

题为《串联谐振型三相双有源桥变换器特性分析及损耗模型》(《太阳能学报》，2022年第43卷第2期)的论文对串联谐振型三相双有源桥变换器进行了分析，给出了变压器“星-角”连接情况下的变压器损耗模型，但其对谐振腔参数设计仅适用于“星-角”连接情况下的变压器。

变压器采用不同接法时对变换器参数选择有很大影响，因此对于变压器为“Y-Y”连接的串联谐振型三相DAB的谐振电感电容参数设计目前没有一种有效的设计方法。

发明内容

本发明要解决变压器为“Y-Y”连接的串联谐振型三相DAB变换器的谐振电感电容参数缺乏有效设计方法的问题。

本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种串联谐振型三相DAB变换器谐振电感电容参数设计方法，所述串联谐振型三相DAB变换器的拓扑结构包括原边侧直流电源E₁、原边侧电容C₁、原边侧三相全桥电路、原边侧谐振腔、Y-Y连接型三相变压器T、副边侧三相全桥电路、副边侧电容C₂和副边侧电阻R，其中，所述原边侧谐振腔包括三相等效谐振电感L_A、L_B、L_C和三相谐振电容C_A、C_B、C_C；

所述原边侧电容C₁并联在原边侧直流电源E₁的正负母线之间，所述原边侧三相全桥电路的直流输入端分别与原边侧直流电源E₁的正负母线相连，原边侧三相全桥电路的三相输出端分别与三相谐振电容C_A、C_B、C_C一一对应相连，三相谐振电容C_A、C_B、C_C的另一端分别与三相谐振电感L_A、L_B、L_C一一对应相连，三相谐振电感L_A、L_B、L_C的另一端分别与Y-Y连接型三相变压器T原边三相一一对应相连，Y-Y连接型三相变压器T副边三相与副边侧三相全桥电路的三相输入端一一对应相连，副边侧三相全桥电路的直流输出端分别与副边侧电阻R两端相连，副边侧电容C₂与副边侧电阻R并联；

其中，A相谐振电感L_A、B相谐振电感L_B、C相谐振电感L_C的值相等，将该值记为单相等效谐振电感值L，A相谐振电容C_A、B相谐振电容C_B、C相谐振电容C_C的值相等，将该值记为单相谐振电容值C；

所述设计方法的目的是求解出单相等效电感值L和单相等效谐振电容值C,，具体步骤如下：

步骤1，给出Y-Y连接型三相变压器T的匝数比N:1、串联谐振型三相DAB变换器的额定功率P_N和串联谐振型三相DAB变换器开关频率f_s，所述串联谐振型三相DAB变换器电压增益比M由下式确定：

其中，U₁为原边侧直流电源E₁两端的电压，记为输入电压U₁，U₂为副边侧电阻R两端的电压，记为输出电压U₂；

步骤2，计算频率比F，计算式如下：

其中，f_r为谐振频率；

步骤3，设所述串联谐振型三相DAB变换器采用移相控制，则单相等效谐振电感值L的取值范围的上限受以下三个参数的限制，三个参数分别为分别记为第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3，表达式分别如下：

式中，k₁为第一裕度系数；

比较第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3的值，取其中最小值作为单相等效谐振电感值L的上限值，并记为上限值L_max；

步骤4，记串联谐振型三相DAB变换器设计能承受的最大电流为I_max，串联谐振型三相DAB变换器设计所能承受的最大电流有效值为I_{N_rms}，同时令Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u为固定值，则单相等效谐振电感值L的取值范围的下限受以下限定式的限制，表达式如下：

L≥L_u

式中，k₂为第二裕度系数；k₃为第三裕度系数；

引入第一下限限制参数Λ1和第二下限限制参数Λ2，表达式为：

比较第一下限限制参数Λ1、第二下限限制参数Λ2和Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u的值，取其中最大值作为单相等效谐振电感值L的下限值，记为下限值L_min；

步骤5，取单相等效谐振电感值L的取值范围为L_min≤L≤L_max，并在[L_min，L_max]内取任一值作为单相等效谐振电感值L；

步骤6，根据步骤5得出的单相等效谐振电感值L计算单相等效谐振电容值C，计算式如下：

式中，ω_r为谐振角频率，且ω_r＝2πf_r。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.得出的谐振电感范围选择性大，可以灵活选择单相实际串联电感。

2.采用本方法计算出的谐振电感电容的串联谐振型三相DAB回流功率小，效率高。

附图说明

图1是本发明所述的串联谐振型三相DAB变换器的拓扑图。

图2为本发明实施例中单相等效谐振电感值L＝42×10^-6H时的串联谐振型三相DAB变换器输出电压U₂变化示意图。

图3为本发明实施例中单相等效谐振电感值L＝38×10^-6H时的串联谐振型三相DAB变换器输出电压U₂变化示意图。

图4为本发明实施例中单相等效谐振电感值L＝46×10^-6H时的串联谐振型三相DAB变换器输出电压U₂变化示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的描述。

图1是本发明实施例中所采用的串联谐振型三相DAB变换器的拓扑图。由该图可见，所述串联谐振型三相DAB变换器的拓扑结构包括原边侧直流电源E₁、原边侧电容C₁、原边侧三相全桥电路、原边侧谐振腔、Y-Y连接型三相变压器T、副边侧三相全桥电路、副边侧电容C₂和副边侧电阻R，其中，所述原边侧谐振腔包括三相等效谐振电感L_A、L_B、L_C和三相谐振电容C_A、C_B、C_C。

所述原边侧电容C₁并联在原边侧直流电源E₁的正负母线之间，所述原边侧三相全桥电路的直流输入端分别与原边侧直流电源E₁的正负母线相连，原边侧三相全桥电路的三相输出端分别与三相谐振电容C_A、C_B、C_C一一对应相连，三相谐振电容C_A、C_B、C_C的另一端分别与三相谐振电感L_A、L_B、L_C一一对应相连，三相谐振电感L_A、L_B、L_C的另一端分别与Y-Y连接型三相变压器T原边三相一一对应相连，Y-Y连接型三相变压器T副边三相与副边侧三相全桥电路的三相输入端一一对应相连，副边侧三相全桥电路的直流输出端分别与副边侧电阻R两端相连，副边侧电容C₂与副边侧电阻R并联。

其中，A相谐振电感L_A、B相谐振电感L_B、C相谐振电感L_C的值相等，将该值记为单相等效谐振电感值L，A相谐振电容C_A、B相谐振电容C_B、C相谐振电容C_C的值相等，将该值记为单相谐振电容值C。

在图1上，A、B、C为原边侧三相全桥电路的三相输出端，A₁、B₁、C₁为Y-Y连接型三相变压器T原边三相，a₁、b₁、c₁为Y-Y连接型三相变压器T副边三相，a、b、c为副边侧三相全桥电路的三相输入端。

所述设计方法的目的是求解出单相等效电感值L和单相等效谐振电容值C,，具体步骤如下：

步骤1，给出Y-Y连接型三相变压器T的匝数比N:1、串联谐振型三相DAB变换器的额定功率P_N和串联谐振型三相DAB变换器开关频率f_s，所述串联谐振型三相DAB变换器电压增益比M由下式确定：

其中，U₁为原边侧直流电源E₁两端的电压，记为输入电压U₁，U₂为副边侧电阻R两端的电压，记为输出电压U₂。

在本实施例中，U₁＝90V,U₂＝80V，P_N＝6KW，f_s＝20kHz，M＝9/8。

步骤2，计算频率比F，计算式如下：

其中，f_r为谐振频率。

在本实施例中，f_r＝19kHz，F＝1.053。

步骤3，设所述串联谐振型三相DAB变换器采用移相控制，则单相等效谐振电感值L的取值范围的上限受以下三个参数的限制，三个参数分别为分别记为第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3，表达式分别如下：

式中，k₁为第一裕度系数；

比较第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3的值，取其中最小值作为单相等效谐振电感值L的上限值，并记为上限值L_max；

在本实施例中，取裕度系数k₁＝1.1。则求得：

经过比较，在本实施例中，L_max＝47×10^-6H。

步骤4，记串联谐振型三相DAB变换器设计能承受的最大电流为I_max，串联谐振型三相DAB变换器设计所能承受的最大电流有效值为I_{N_rms}，同时令Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u为固定值，则单相等效谐振电感值L的取值范围的下限受以下限定式的限制，表达式如下：

L≥L_u

式中，k₂为第二裕度系数；k₃为第三裕度系数；

引入第一下限限制参数Λ1和第二下限限制参数Λ2，表达式为：

比较第一下限限制参数Λ1、第二下限限制参数Λ2和Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u的值，取其中最大值作为单相等效谐振电感值L的下限值，记为下限值L_min；

在本实施例中，I_max＝150A，I_{N_rms}＝100A，L_u＝15цH。

取裕度系数k₂＝1.05，k₃＝1.05，则求得：

L_u＝15×10^-6H

经过比较，在本实施例中，L_min＝37×10^-6H。

步骤5，取单相等效谐振电感值L的取值范围为L_min≤L≤L_max，并在[L_min，L_max]内取任一值作为单相等效谐振电感值L。

在本实施例中，所述单相等效谐振电感值L的可选具体范围如下：

37×10^-6H≤L≤47×10^-6H

在本实施例中，取L＝42×10^-6H。

步骤6，根据步骤5得出的单相等效谐振电感值L计算单相等效谐振电容值C，计算式如下：

式中，ω_r为谐振角频率，且ω_r＝2πf_r。

在本实施例中，C＝1.67×10^-6F。

利用本实施例中求得的单相等效谐振电感值L和单相等效谐振电容值C，使用电力电子仿真软件进行仿真，得到了图2所示的输出电压U₂的变化示意图；接着又选取了本实施例中单相等效谐振电感值L范围内的另外两个值，选取L＝38×10^-6H和L＝46×10^-6H进行了仿真，输出电压U₂的变化示意图分别如图3和图4所示。从图2、图3和图4可以看出输出电压U₂分别在0.05秒、0.06秒、0.08秒后保持平稳，即保持在80V左右，均符合设计要求，这验证了本发明方法得出的谐振电感范围选择性大，可以灵活选择单相实际串联电感。在本实施例中，用的是Matalb/simulink软件。

Claims (1)

1.一种串联谐振型三相DAB变换器谐振电感电容参数设计方法，所述串联谐振型三相DAB变换器的拓扑结构包括原边侧直流电源E₁、原边侧电容C₁、原边侧三相全桥电路、原边侧谐振腔、Y-Y连接型三相变压器T、副边侧三相全桥电路、副边侧电容C₂和副边侧电阻R，其中，所述原边侧谐振腔包括三相等效谐振电感L_A、L_B、L_C和三相谐振电容C_A、C_B、C_C；

所述原边侧电容C₁并联在原边侧直流电源E₁的正负母线之间，所述原边侧三相全桥电路的直流输入端分别与原边侧直流电源E₁的正负母线相连，原边侧三相全桥电路的三相输出端分别与三相谐振电容C_A、C_B、C_C一一对应相连，三相谐振电容C_A、C_B、C_C的另一端分别与三相谐振电感L_A、L_B、L_C一一对应相连，三相谐振电感L_A、L_B、L_C的另一端分别与Y-Y连接型三相变压器T原边三相一一对应相连，Y-Y连接型三相变压器T副边三相与副边侧三相全桥电路的三相输入端一一对应相连，副边侧三相全桥电路的直流输出端分别与副边侧电阻R两端相连，副边侧电容C₂与副边侧电阻R并联；

其中，A相谐振电感L_A、B相谐振电感L_B、C相谐振电感L_C的值相等，将该值记为单相等效谐振电感值L，A相谐振电容C_A、B相谐振电容C_B、C相谐振电容C_C的值相等，将该值记为单相谐振电容值C；

其特征在于，所述设计方法的目的是求解出单相等效电感值L和单相等效谐振电容值C，具体步骤如下：

步骤1，给出Y-Y连接型三相变压器T的匝数比N:1、串联谐振型三相DAB变换器的额定功率P_N和串联谐振型三相DAB变换器开关频率f_s，所述串联谐振型三相DAB变换器电压增益比M由下式确定：

其中，U₁为原边侧直流电源E₁两端的电压，记为输入电压U₁，U₂为副边侧电阻R两端的电压，记为输出电压U₂；

步骤2，计算频率比F，计算式如下：

其中，f_r为谐振频率；

步骤3，设所述串联谐振型三相DAB变换器采用移相控制，则单相等效谐振电感值L的取值范围的上限受以下三个参数的限制，三个参数分别为分别记为第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3，表达式分别如下：

式中，k₁为第一裕度系数；

比较第一上限限制参数Γ1、第二上限限制参数Γ2和第三上限限制参数Γ3的值，取其中最小值作为单相等效谐振电感值L的上限值，并记为上限值L_max；

步骤4，记串联谐振型三相DAB变换器设计能承受的最大电流为I_max，串联谐振型三相DAB变换器设计所能承受的最大电流有效值为I_{N_rms}，同时令Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u为固定值，则单相等效谐振电感值L的取值范围的下限受以下限定式的限制，表达式如下：

L≥L_u

式中，k₂为第二裕度系数；k₃为第三裕度系数；

引入第一下限限制参数Λ1和第二下限限制参数Λ2，表达式为：

比较第一下限限制参数Λ1、第二下限限制参数Λ2和Y-Y连接型三相变压器T的漏感L_u的值，取其中最大值作为单相等效谐振电感值L的下限值，记为下限值L_min；

步骤5，取单相等效谐振电感值L的取值范围为L_min≤L≤L_max，并在[L_min，L_max]内取任一值作为单相等效谐振电感值L；

步骤6，根据步骤5得出的单相等效谐振电感值L计算单相等效谐振电容值C，计算式如下：

式中，ω_r为谐振角频率，且ω_r＝2πf_r。