1基于準(zhǔn)源的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力與成本分析

1、第十一屆中國高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力與成本分析基1，崔文峰 2，胡1，1(1. 浙江大學(xué)電氣杭州 310027；2. 寧波中車新能源科技寧波 315100)摘要：電力電子變換系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高性能混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。相比于目前常用的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器減少了開關(guān)器件數(shù)目，提高了系統(tǒng)可靠性。為了深入研究該類拓?fù)涞膶?shí)用性，本文以基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為例，首先對(duì)器件的電壓和電流應(yīng)力等方面進(jìn)行了詳細(xì)研究與驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，以實(shí)際電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行了開關(guān)器件成本的分析與比較。最后，了基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器中儲(chǔ)能元件額定電壓

2、優(yōu)化運(yùn)行區(qū)間。該研究能為基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器的實(shí)際應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)。：準(zhǔn) Z 源變換器；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)；開關(guān)器件應(yīng)力；成本ysis of the Stress and Costs of the Switching DeviheHybrid Energy Storage System Based on the Quasi-Z-source InverterWANG Yujie1, CUI Wengfeng2，HU Sideng1, HE Xiangning1(1.University, Hangzhou, 310027, China; 2. Ningbo CRRC New Energy

3、Technology Company, 315100,China)er electronic converters are the basis of the hybrid energy storage system. Compared with the conventional two-stages system,Abstract:the hybrid energy storage system based on impedance networks can save switching deviand can improve the system stability as well.For

4、further research on the practicability of the hybrid energy storage system, the voltage and current stress of the switching deviinthe hybrid energy storage system based on quasi-Z-source areysedhis pr. The PSIM is used to verify the correlation theories. Thecosts of the switching deviare counted as

5、well. By comparing the two system, advised rated voltage values of the energy storage mediaare given. This research can be of great help for the use of hybrid energy storage systems.Keywords: quasi-Z-source inverter; hybrid energy storage system; stress; costs來，圍繞基于阻源變換器的復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)，引起人們的引言關(guān)注。該類變換器具有單級(jí)結(jié)構(gòu)

6、，可靠性高、對(duì)直通故混合儲(chǔ)能系統(tǒng)是車載儲(chǔ)能系統(tǒng)性有效之一。障魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢。文獻(xiàn)5-6對(duì)其內(nèi)在運(yùn)行機(jī)理、控制策略等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。為了深入研究該類拓?fù)渑c純電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相比，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有快速及率充放電能力，能滿足電動(dòng)汽車在加速、爬坡及快速制的實(shí)用性，本文以基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為動(dòng)等方面的性能需求1-3。電力電子變換器是高性能混例，首先對(duì)器件的電壓和電流應(yīng)力等方面進(jìn)行了詳細(xì)研合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。目前混合儲(chǔ)能的電力電子變換系統(tǒng)究與驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，以實(shí)際電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例常采用兩級(jí)或多級(jí)式變換結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)態(tài)響應(yīng)、損耗、進(jìn)行了開關(guān)器件成本的分析與比較。最后，了基于成本之間折中，實(shí)現(xiàn)混

7、合儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)4。近年阻抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器中儲(chǔ)能元件額定電壓優(yōu)化運(yùn)基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力與成本分析行區(qū)間。該研究能為基于阻抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器的2開關(guān)器件應(yīng)力分析實(shí)際應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)。相比于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，基Z 源變1基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)減少了 3 個(gè)開關(guān)器件。本節(jié)分別比較了在相同的負(fù)載功率和輸出線電壓下兩種系統(tǒng)直流側(cè)準(zhǔn)Z 源變換器(quasi-Z-source inverter, qZSI)基本原理已在多篇文獻(xiàn)中進(jìn)行了介紹7-10。在已有拓?fù)渲星度牒徒涣鱾?cè)開關(guān)器件的電壓和電流應(yīng)力。為了不失分析的基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，

8、一般性，首先定義升壓比(B)和輸出功率比(K):多元儲(chǔ)能介質(zhì)將Vb Vline如圖 1 所示。以超級(jí)電容與電池組為例，其基本原理如B (1)下：電池和電機(jī)的功率分別通過 S 和逆變器調(diào)節(jié)。電池7K PoPb組和電機(jī)的功率差異由超級(jí)電容承擔(dān)。牽引工況下，超(2)級(jí)電容和電池為電機(jī)供電?；仞佒苿?dòng)工況下，電機(jī)能量式中，Vline 為輸出線電壓峰值，Vb 為電池電壓，Pb為電池功率，Po 為輸出功率。2.1 電壓應(yīng)力比較反向回饋給超級(jí)電容和電池。電池由電壓定律準(zhǔn) Z 源變換器中開關(guān) S7L1的電壓應(yīng)力 VS7 理論計(jì)算表達(dá)式：S1S3B 1VC1V超級(jí)電容電機(jī)=VV V V(3)S7C1C2bline

9、lineBS2SS6式中，V 為 S7 的電壓應(yīng)力計(jì)算值，VC1，VC2 分別S7為 C1，C2 兩端電壓。從式(3)可以看出，隨著升壓比 B的增大，開關(guān)器件 S7 的電壓應(yīng)力不斷減小，逐漸趨近于圖 1 基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖S9L3Vline。當(dāng)三相負(fù)載對(duì)稱時(shí)，交流側(cè)各開關(guān)器件電壓應(yīng)力相等，其計(jì)算值可表示為：S12S14電池S8 S11 電機(jī)L4B 1VV(4)aclineBS13S15S17S超級(jí)電容 10從式(4)中可以看出，當(dāng)交流側(cè)為三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)開關(guān)器件的電壓應(yīng)力將高于 Vline，同時(shí)隨著升壓比 B 的增大而逐漸減小。而兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

10、中直流側(cè)各開關(guān)器件電壓應(yīng)力圖 2 傳統(tǒng)兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖根據(jù)圖 1 可知，基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為單級(jí)式結(jié)構(gòu)，直流側(cè)和交流側(cè)通過準(zhǔn) Z 源變換器相融合。傳統(tǒng)兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。相比于兩Vboost 表達(dá)式為：級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)V V(5)boostline器件使用數(shù)目減少。開關(guān)器件的應(yīng)力也與傳統(tǒng)的準(zhǔn) Z 源當(dāng)交流側(cè)為三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)，兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)交流變換器存在差別。因此，需要結(jié)合混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分析基側(cè)各開關(guān)器件電壓應(yīng)力相等，其計(jì)算值為：Z 源變換器的應(yīng)力情況，為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件V V(6)Z 源變換器的混invline選型提供參考。比較式(

11、3)-(6)，可以看到，基S16S5C2S7L2第十一屆中國高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)合儲(chǔ)能系統(tǒng)單個(gè)開關(guān)器件電壓應(yīng)力大于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)得最小值。Vstress Vline中單個(gè)開關(guān)器件電壓應(yīng)力。如圖 3(a)所示，直流側(cè)電壓應(yīng)力 VS7 和交流側(cè)電壓應(yīng)力 Vac 隨 B 的增大逐漸減小，與兩級(jí)式結(jié)構(gòu)中開關(guān)器件電壓應(yīng)力的差距逐漸減小。K2.01.0V 0.81.5S7KmaxVlineVboost0.61.00.4VlineKmin2.2 電流應(yīng)力比較0.50.200根據(jù)電流定律準(zhǔn)Z 源變換器中開關(guān)S7551234B1234B(a)(b)KK1.01.00.8的電流應(yīng)力 IS7 可表示為：0

12、.8KmaxKmaxI0.60.4 II0.6UCbS70.4B+1 BB+1 B(7) 2B2B2PoKmin0.2 max -K ,-K -Kmin0.2 B-1B-1B-1B-13 Vline0051234B12345B(d)I為S的電流應(yīng)力計(jì)算值，I為超級(jí)電容平均電(c)7UCS7圖 3 開關(guān)器件應(yīng)力對(duì)比圖流， Ib 為電池電流平均值。定義兩級(jí)式結(jié)構(gòu)中直流側(cè) 4 個(gè)開關(guān)器件電流應(yīng)力最大值為該結(jié)構(gòu)中器件電流應(yīng)力，即：綜合開關(guān)器件應(yīng)力和實(shí)際應(yīng)用工況，B 和 K 的優(yōu)化取值范圍為：3 3B 3B12 B 5, K B(11)BPoI max B K,(1 K ) B 1 V(8)3Bboos

13、tline本節(jié)通過對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)開關(guān)器件電壓和電流比較式(7)和(8)可以得到直流側(cè)開關(guān)器件電流應(yīng)力應(yīng)力的比較，得出了 B 和 K 的優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍。實(shí)際應(yīng)用I 小于 I時(shí)的取值區(qū)間，如圖 3(b)灰域。S7boost中，輸出線電壓峰值 Vline 為確定值，跟據(jù)所得 B 和 K 的范圍確定電池和超級(jí)電容的額定電壓能夠滿足開關(guān)器件基Z 源的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)開關(guān)器件的電流應(yīng)力 Iac 計(jì)算值為：應(yīng)力低的需求。 1 (I I )+ 1 2PoIacL1L2323V為驗(yàn)證上述器件電壓、電流應(yīng)力理論分析的正確性，line(9)B 1 B12B12P本文通過PSIM 進(jìn)行了仿真分析，表1 為主要仿真參

14、數(shù)。表 1 主電路參數(shù) max o K +,B 1B 13Vline33 式中，IL1，IL2 分別為電感 L1，L2 電流。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)交流側(cè)開關(guān)器件電流應(yīng)力計(jì)算值為：兩級(jí)式參數(shù)數(shù)值負(fù)載功率 Po輸出電壓峰值 Vline3 kW 180V63V117V5kHz2PoI電池電壓 Vb超級(jí)電容電壓 VUC開關(guān)頻率 fz(10)inv3Vline圖 3(c)，其中比較交流側(cè)器件電流應(yīng)力表達(dá)式圖 4(a)為牽引工況下，B=2.85，K=0.46 的仿真波形。圖 4(b)為回饋制動(dòng)工況下，B=2.85，K=0.6 的仿真波形?；矣?yàn)榛鵝 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)交流側(cè)開關(guān)器件承受最小電流應(yīng)力情況下 B 和

15、K 的取值。由式(9)圖中， I 為由式(7)計(jì)算出的 S7 電流應(yīng)力理論值，iS7 為S7，I 最小值為輸出電流峰值，與兩級(jí)式結(jié)構(gòu)交流側(cè)acS7 的電流瞬時(shí)值， I 為由式(9)計(jì)算出的交流側(cè)開關(guān)器ac電流應(yīng)力 I 相等。圖 3(d)為(b)和(c)的交集，灰域inv件電流應(yīng)力的理論值，Iac 為交流側(cè)開關(guān)器件電流應(yīng)力仿真值。表示 IS7 小于雙向 Boost 開關(guān)器件電流應(yīng)力，且 Iac 也取基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力與成本分析KIac0 8IS7Iac0 61200V/1200A1200V/800AiS70 41200V/600A-51200V/400A0時(shí)間(0 2ms/

16、div) (a)0 20B2 02 53 03 54 04 5Iac圖 5 開關(guān)器件電流等級(jí)對(duì)比圖IaciS7IS7灰間代表基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開-300時(shí)間(0 2ms/div)關(guān)器件電流應(yīng)力小于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)的范圍，與式(11)對(duì)應(yīng)。從圖中可以看出，式(11)對(duì)應(yīng)的 B 和 K 的取值同時(shí)滿足了系統(tǒng)器件應(yīng)力小和成本低的需求。(b)圖 4 不同工況仿真波形由圖 4 可以看出，S7 開通時(shí)間內(nèi)，理論計(jì)算值I與S7iS7 的電流曲線中點(diǎn)電流相等，交流側(cè)開關(guān)器件的電流應(yīng)在式(11)所表示的區(qū)間內(nèi)選擇一組 B 和 K 的值具體計(jì)算開關(guān)器件成本。以 B=3，K=0.5 為例，根據(jù)式(3)-(10)

17、，力 Iac 曲線與理論計(jì)算值I 重合，因而驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的ac正確性?；鵝 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開3開關(guān)器件成本比較與分析關(guān)器件直流側(cè)和交流側(cè)的電壓和電流應(yīng)力分別如表 2 和表 3 所示：根據(jù)開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力的分析，本節(jié)參考表 2 直流側(cè)開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力NISSAN LEAF11-12動(dòng)力系統(tǒng)的配置參數(shù)了系統(tǒng)中開關(guān)器件的成本。NISSAN LEAF 電機(jī)線電壓峰值 Vline為 500V，最大輸出功率 Po 為 80kW。器件電壓等級(jí)方面，兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的開關(guān)器件電壓應(yīng)力為 500V，因此直流側(cè)選擇電壓等級(jí)為 1200V 的開關(guān)器件。基Z 源變換器方案中，VS7

18、 和Vac 隨B 增大逐漸減小，逐漸趨近于500V。因此，基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)選用電壓等級(jí)為 1200V 的開關(guān)器件。由于所需器件電壓等級(jí)高，而表 3 交流側(cè)開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力交流側(cè)MOSFET 在高電壓下導(dǎo)通電阻大于導(dǎo)通電阻，為了減小系統(tǒng)的開關(guān)損耗，開關(guān)器件均選用。圖 5表示了器件電流等級(jí)選型范圍，其中各電流等級(jí)開關(guān)器表 4、5 分別列出了基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能件所適用的 B 和 K 的范圍用不同色彩標(biāo)出。系統(tǒng)和兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開關(guān)器件型號(hào)及價(jià)格。電流(5A/div)電流(5A/div)電壓應(yīng)力/V電流應(yīng)力/A基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)666.67184.752兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)5

19、00184.752電壓應(yīng)力/V電流應(yīng)力/A基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)666.67184.752兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)500240/120第十一屆中國高校電力電子與電力傳動(dòng)學(xué)術(shù)年會(huì)的優(yōu)化運(yùn)行區(qū)間。表 4 基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件型號(hào)及價(jià)格規(guī)格器件價(jià)格/元合計(jì)/元4結(jié)論本文分析了基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件的電壓和電流應(yīng)力。通過比較基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力和成本，表 5 兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)開關(guān)器件型號(hào)及價(jià)格得出了電池與超級(jí)電容額定電壓優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍，并通過價(jià)格/元合計(jì)/元規(guī)格器件了相關(guān)理論的正確性。為實(shí)現(xiàn)基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可靠性的與開關(guān)器件成本的降

20、低，提供了超級(jí)電容和電池額定電壓的選取參考。需要的是，本文未涉及無源元件成本的分析。基Z 源變由表 4 和表 5 可以看出，在 B=3，K=0.5 情況下，換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)無源元件數(shù)量相相比于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能同，后續(xù)研究將會(huì)對(duì)基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)系統(tǒng)開關(guān)器件節(jié)約了 28.97%的成本。實(shí)際應(yīng)用中，IS7無源元件的成本進(jìn)行探討。隨 K 值的變化而增大，導(dǎo)致器件電流等級(jí)升高，成本增參考文獻(xiàn)：加，但使用數(shù)目少，且不流等級(jí)的差Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件成本價(jià)小，基1S. K. Kollimalla, M. K. Mishra, and N. L

21、. Narasamma. Design and依然低于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。圖 6 為 B=3，開關(guān)器件節(jié)約ysis of Novel Control Strategy for Battery and Supercapacitor的成本隨 K 值變化的條形圖。從圖 6 中可以看出，相比于兩級(jí)式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，開關(guān)器件成本降低約 20%-33%Storage System J. IEEE Tranions on Sustainable Energy, 2014, 5(4):1137-1144.2Cao J and Emadi A. A New Battery/UltraCapacitor Hybrid En

22、ergy StorageSystem for Electric, Hybrid, and Plug-In Hybrid Electric Vehicles J. IEEETranions oner Electronics, 2012, 27(1): 122-132.3A. Emadi, K. Rajashekara, S. S. Williamson, and S. M. Lukic. Topologicaloverview of hybrid electric and fuel cell vehicularer systemarchitectures and conFigurations J

23、. IEEE Tranions on VehicularTechnology, 2005, 54(3):763-770.4A. Kuperman, I. Aharon, S. Malki, and A. Kara. Design of a Semiactive圖 6 開關(guān)器件成本比較Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Source J. IEEE Tranions on基于開關(guān)器件電壓和電流應(yīng)力的分析，綜合系統(tǒng)成er Electronics, 2013, 28(2):806-815本分析，式(11)所對(duì)應(yīng)的 B 和 K 的取值能夠滿足基于阻5Sideng

24、Hu, Zipeng Liang, and Xiangning He. Ultracapacitor-Battery抗網(wǎng)絡(luò)的混合儲(chǔ)能變換器開關(guān)器件應(yīng)力小和成本低的雙Hybrid Energy Storage System Based on the Asymmetric Bidirectional Z重要求。在已知輸出線電壓 Vline 情況下，根據(jù)式(11)確定 B 的值，進(jìn)而得出電池額定電壓和超級(jí)電容額定電壓降低成本比例%1050.30.350.40.450.50.550.60.65K直流側(cè)器件1200V/600AFF600R12ME41646 91200V/300AFF300R12ME49

25、84.7交流側(cè)器件1200V/450AFF450R12ME41227.836315.0直流側(cè)器件1200V/360AFZ400R12KE3802.1交流側(cè)器件1200V/450AFF450R12ME41227.834485.5基Z 源變換器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)開關(guān)器件應(yīng)力與成本分析-Source Topology for EV J. IEEE Tranions oner Electronics,10F. Li, B. Ge, D. Sun, D. Bi, F. Z. Peng, and H. Abu-Rub. Quasi-Z source2016, 31(11): 7489-7498.inverte

26、r with battery based PVer generation system C. in Proc. 20116Sideng Hu, Zipeng Liang, Dongqi Fan,and Xiangning He. Hybrid. Conf. Electrical Machines and Systems (ICEMS), Aug. 2011, pp.15.UltracapacitorBattery Energy Storage System Based on Quasi-Z-source11Y. Attia and M. Youssef. GaN on silicon E-HE

27、MT and pure siliconMOSFET in high frequency switching of EV DC/DC converter: ATopology and Enhanced Frequency Dividing Coordinated Control for EVJ. IEEE Tranions oner Electronics, 2016, 31(11): 7598-parative study in a nissan leaf C. in Proc. 38th IEEEernational7F. Liu, J. Liu, H. Zhang, and D. Xue. Stability I es of Z+Z Type Cascademunications Ener