针对智能电网解决方案中的储能元件优化的 DC/DC 转换器
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DC-DC转换器是可再生能源生产和存储单元管理的核心元件。在可靠性和安全性方面提出了许多要求，它们的设计是满足许多竞争要求的一项具有挑战性的任务。在本文中，我们正在寻求一种解决方案，将这些问题的答案组合在一个设备中。 能源转型正在兴起。风电、光伏等可再生能源的比重越来越大。相反，必须随时保证稳定的电力供应和可用性。这一不可否认的事实引发了未来分散式能源系统中的储能问题。以电流或电压的形式存储能量意味着使用更高的电压电平，以便从更高的效率中受益。因此，需要强大的 DC-DC转换器将电压降低到另一个水平，以便为控制电子设备提供辅助电压（图 1）。另一方面，通往智能电网的道路，即能够在需要时检索能源，需要全天候的可用性。能源供应公司的监控功能、控制单元功能和通信模块必须可靠地工作，用于储能元件以及一次能源生产本身：例如，产生高达 3000 V 电压的风力涡轮机需要一个基本的电源电压将完全启动。因此，在农村的任何地方都可以找到 DC-DC转换器。 高要求保证最大电网稳定性 DC-DC转换器广泛用于当今的电子设备中，在家用或娱乐设备的使用中不可或缺。然而，在大多数情况下，这些设备都是为在低电压范围内使用而设计的。它们通常从线路电压电平转换为 5V、15V 或 24V。因此，它们是为这种特定的操作条件而设计的。他们必须考虑到许多与日晒、冷却和可靠性问题有关的限制因素。鉴于其有限的输入范围，这些挑战很容易解决。 但现在考虑用于MVDC（中压DC) 应用，如储能元件或可再生能源工厂的情况，要求正在增加。出于安全原因，在某些用例中，随着输入电压可能高达 1000V、2000V 或什至更高，绝缘增益的重要性就体现出来了。相反，电压越高，保证所用材料的防日晒结构的过程就越困难。此外，鉴于电网中供应安全的重要性，需要最大程度的可靠性。考虑到当今能源网络非常复杂的相互依赖性，这种集成在供电线路任何位置的 DC-DC模块的故障可能导致整个系统的故障，并对消费者产生所有负面影响。总之，必须找到可靠的解决方案来限制 EMC 影响并确保电流隔离。然而，此类器件的工作条件远不能与应用于传统 DC-DC转换器的工作条件相媲美，例如为低电压环境而设计的反激式转换器。可再生能源在当地条件最有利的地方被捕获，例如在山区或其他极端条件盛行的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么这对于真实条件下的这种 MVDC 应用意味着什么呢？比如在山区或其他极端条件盛行的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么这对于真实条件下的这种 MVDC 应用意味着什么呢？比如在山区或其他极端条件盛行的地区。因此，必须考虑高海拔、腐蚀性影响和不便的温度。另一方面，效率问题具有高度优先性。那么这对于真实条件下的这种 MVDC 应用意味着什么呢？ 在寄生元素的轨道上 遵循更高电压有利于储能应用的逻辑，因为能量与电压的平方成正比增长，让我们看一个关于上述 DC-DC转换的小例子。我们采用等式W = 1/2 x C x U2作为基础。然而，在现实生活中的应用中，转换过程中的功率损耗是无法避免的。在大多数情况下，电压降调节不再是选项。因此，电压将被计时以将功率从初级侧传输到次级侧，以限制这些损耗。无论如何，寄生元件会干扰这种应用的效率，因为初级和次级之间的距离将会增加。在导致 DC-DC转换的整个过程中都可以找到寄生元素。有一定数量的附加元件做出了贡献。 考虑到典型反激式转换器的这一点，我们必须接受寄生电容会在晶体管切换片刻时重新充电。当由于时钟切换晶体管时，电容器将通过短路放电并释放热量。让我们看看为低压应用设计的 DC-DC转换器与为 MVDC 环境设计的转换器之间的使用差异。 功率损耗达到更高的维度 我们以寄生电容 C par= 250 pF为例进行初步估计，开关频率 fsw= 60 kHz。对于低电压情况，我们假设输入电压 Vin= 110 V，输出电压 Vout= 25 V（24 V V二极管= 24 V 0.7 V ≈ 25 V）和占空比 DC = 0.5。 通过电路设计优化损耗 现在让我们看看其他类型的转换器。例如，可以使用正向转换器代替反激式转换器。由于使用了电流存储扼流圈 (L)，因此该结构将遵循不同的原理。 尽管如此，使用简单的正激转换器会带来效率方面的其他缺点。使用桥式拓扑将是优化电路设计的另一个可能步骤。这种选择也承认使用具有扩展性能范围的推挽式转换器。使用全桥拓扑（图 2），我们必须考虑到实现电路需要四个晶体管，但我们没有看到反激转换器的反射电压造成的负面影响。 在这些示例之后，由寄生元件引起的功率损耗根据使用的拓扑而有所不同，但无论如何它们都会上升到输出功率的近 6 -12%。因此，减少这些寄生元件具有很高的优先级，以使设备以更有效的方式工作，但修改电路设计只是解决方案的一部分。另一种可能性是降低开关频率，但这伴随着输入电压范围的限制和组件尺寸的妥协。通过添加冷却风扇和更厚的铝散热器等元件，优化温度应力也是如此。无论如何，为了满足可靠性、EMC 或耐候性方面的要求，还必须添加大量附加模块：必须强调的是，不可能应用标准组件。然而，许多进入可再生能源解决方案领域的 DC-DC转换器生产商尚未面临这些问题，因为他们一直专注于问题并不那么严重的低压应用。因此，潜在的能源供应商首先必须在一个漫长而密集的开发过程中，通过将必要的元素一一组装来开发自己的系统。 基于经验的多合一解决方案 相比之下，产品已经包含满足这些特定 MVDC 要求的解决方案。因此，其开发者指的是已在铁路技术领域实现的 MVDC 应用。由于生产商回顾了该领域 20 年的经验，已经开发出大量用于接触线转换器的解决方案。例如，具有类似背景的项目是安装在封闭式铁路道口的转换器。根据周围区域的不同，它们也可能被放置在极端条件下，例如暴露在天气暴露的位置或海拔高度。因此，转换器已经解决了可靠性、EMC、振动、气候和加热问题，因此无需添加保险丝、过滤器或散热器等互补元件。具有电流绝缘电流路径的输入/输出分离适用于安全和关键噪声敏感应用。即使在电源电压、负载和温度波动很大的情况下，模拟和数字电流和电压控制回路也能解耦并提供微控制器、冷却风扇、电动阀、接触器和传感器。现有转换器专门用于铁路应用，设计用于 24/7 全天候使用和高 MTBF，完全免维护（图 3 和图 4）。转换器的标称使用时间表示为 LT（寿命）> 25 年，参考平均温度 Tamb = 40°C。MTBF 值约为 λ < 800 适合参考标称输出功率和 Tamb = 40°C。这些转换器设计用于三种不同的输入电压范围。 必须提到的是，即使是高达 4000 V 的输入电压也是可行的。在美国陪同的一个示范项目中，已经获得了经验：通过将 3000 V 输入电压转换为低电压的设备来装备风力涡轮机，该公司证明了其作为该领域先驱的作用。 总结与展望 由于我们电网的稳定性是重中之重，我们意识到在可再生能源生产及其存储应用中使用 DC-DC转换器对设备的可靠性提出了很高的要求。在考虑了 MVDC 的转换和在极端环境条件下的操作之后，我们看到了与应用于低电压的传统 DC-DC转换器非常不同的问题的出现。我们开始意识到绝缘、电流分离、EMC 和热保护是如何获得动力的。另一方面，我们讨论了不断增加的功率损耗如何威胁工艺效率。以牺牲元件尺寸和输入电压范围为代价来应对应用风险。标准组件远不能满足需求。根据我们在铁路技术方面的经验。 由于在整个过程中必须使用更高的电压，很明显不仅必须重建一次能源生产，还需要重建储能模块以及配电网和补偿系统。总之，现有基础设施的优化将是一项需要在中高压应用中经过验证的知识的整体任务。 |
