以充放电为基础的直流电力调整器设计与实践.pdfVIP

以充放电为基础的直流电力调整器设计与实践

第1章绪论

1.1引言

我们知道，利用可再生的新型能源进行分布式发电日益受到各个国

家的重视，其解决了能源短缺问题，且能源利用率高，输出电能质量高，

与大电网互为备用电源，得到广泛的研究，同时又由于分布式电源接入大

电网后带来稳定性、成本等方面的问题，于是有学者提出微电网的概念。

微电网分直流微电网和交流微电网，直流微电网通过直流母线，集中控制

各分布式电源的能量供电给负载，与交流微电网相比，减少了能量变化带

来的损耗，在当今直流负载（如计算机设备，手机电池等）越来越多的情

况下，直流微电网的研究有着重大的意义。

海上舰船供电系统中，一般都是靠发电机发电维持舰船上设备的供

电，支撑着舰船的正常航行。在舰船上应用直流微电网，如图1-

1所示，利用海上太阳能、风能等清洁能源，经直流电力调节器或者整流

器输出到直流母线，给直流负载供电，同时直流母线经逆变器转换成市电

满足舰船上的生活用电；如果此时能量充足，还可以经过双向DC/DC变换

器即双向直流电力调节器给蓄电池充电；如果分布式电源供电不足，再启

动发电机，输出市电和整流输出到直流母线供电给直流负载，或蓄电池放

电经过双向直流电力调节器输出到直流母线。此供电系统大大的提高了能

源利用的效率，同时减少对海洋环境的污染。在舰船直流微电网供电系统

中，双向直流电力调节器发挥了重要的作用，在太阳能、风能、燃料等新

型清洁能源充足的时候，给蓄电池充电储存能量作备用电源，在新型能源

供电不足或者舰船需要隐藏，不能使用噪声大的燃油发电机时，又能让蓄

电池充当分布式供电系统中的一员给直流母线供电。

1.2研究目的和意义

单向直流电力调节器即单向DC/DC变换器其能量传递的方向只能是从

输入传递到输出，但是在输入与输出定义可相互置换，使得能量传递方向

也随之反向的场合无法实现功能要求。例如能将能量双向传递的充电机主

要功能是将电网能量传递给电池充电，如果电源异常出现中断，它可将电

池电能放电提供给电网，作为备用电源向电网供电；直流电动机控制用电

力调节器也是需要双向传递能量，制动状态下，电机电能通过电力调节器

回馈到电源，电动状态下，电源供电给电动机。在上述能量双向传递情况

下，如果仍然使用单向直流电力调节器，则必须反向并联使用两台单向电

力调节器以达到能量双向传递的目的，如图1-

2所示，电路结构复杂，每台单向直流电力调节器只能让能量向一个方向

流动，实际应用中完全没有这个必要，一台双向电力调节器就可以实现上

述功能。

1.3国内外研究现状

目前我们研究的基本上还是十几年前就存在的电源电路系统拓扑结

构，无论从电源系统性能或电源成本来说，那些存在十几年的电源拓扑结

构都或多或少存在着一些需要改进的地方。单就目前大功率充放电型电源

发展的趋势来看，基于大规模生产及系统维护的需要，选用任何一种拓扑

结构做成的单向直流电源都不会改变功率器件、磁性元件局限性的局面。

由单向直流电力调节器发展而来的双向直流电力调节器电源系统，以其可

靠性高、功率范围广，维护成本低等优点，成为电源系统的重要发展趋势

。

从上个世纪八十年代初美国学者提出使用升降压式双向直流电力调

节器用于人造卫星太阳能电源系统开始，后来九十年代香港大学的教授成

功研制电动车驱动用的双向直流电力调节器、澳大利亚的学者在PESC上发

表文章总结双向直流电力调节器的拓扑结构、美国弗吉尼亚大学教授着手

研究应用于燃料电池的双向直流电力调节器，以及本世纪初浙江大学和南

京航空航天大学的学者分别对双向直流电力调节器进行研究等，双向直流

电力调节器到如今已经发展了三十年有余，在航空航天、风力发电等新型

能源的二次能源开发、电动汽车驱动电源、备用电源等领域逐步取得了自

己的一席之地。

第2章双向直流电力调节器总体方案设计

2.1双向直流电力调节器总体结构

本文要设计一台20kW放电10

kW充电的双向直流电力调节器，如图2-

1所示功能结构图，该直流电力调节器一端是铅酸蓄电池组，另一端是直

流总线电压。

2.2双向直流电力调节器指标要求

直流总线端电压为380V±20V，蓄电池组经过串并联后输出电压范围

在300V~430VDC,电力调节器运行时通过CAN总线接收来自外部的命令控制

能量流向，要求双向直流电力调节器具有显示输入和输出过压、欠压、过

流、欠流及可自动检测输出端出现短路情形的功能