广西师范大学学报（自然科学版） ›› 2021, Vol. 39 ›› Issue (3): 11-19.doi: 10.16088/j.issn.1001-6600.2020053101

• • 上一篇    下一篇

应用于超级电容储能的开关准Z源双向DC/DC变换器研究

戴云飞, 祝龙记*   

  1. 安徽理工大学 电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
  • 收稿日期:2020-05-31 修回日期:2020-07-02 发布日期:2021-05-13
  • 通讯作者: 祝龙记(1964—),男,安徽安庆人,安徽理工大学教授,博士。E-mail: ljzhu@aust.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(U1610120)

Research on Switch Quasi-Z Source Bidirectional DC/DC Converter Applied to Super Capacitor Energy Storage

DAI Yunfei, ZHU Longji*   

  1. School of Electrical and Information Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China
  • Received:2020-05-31 Revised:2020-07-02 Published:2021-05-13

PDF (PC)

234

摘要： 为了解决超级电容储能系统中超级电容升降压变换比较低以及输出电压波动较大的问题,同时在升压时提高充电速度,本文提出一种新颖的开关准Z源双向DC/DC变换器。该变换器添加了2个开关电容,升压过程中电压增益提升1/4,降压过程中降压系数减小1/5,并使开关管的电压应力降低1/5。论述了超级电容升压放电模式以及充电降压模式的工作过程,并设计了电压/电流双闭环升压控制策略,使输出电压波动小于0.98%,电感电流幅度减小0.82 A。同时设计恒电流转恒电压降压控制策略,提升9.26%充电速率。MATLAB仿真证明了所提变换器的特性和理论分析。

关键词: 超级电容, 储能系统, 双向DC/DC变换器, 宽电压增益范围, 控制策略

Abstract: In order to solve the problems of low buck-boost conversion of super capacitor and large output voltage fluctuation in super capacitor energy storage system and increase the charging speed when boosting, a novel switching quasi-Z source bidirectional DC/DC converter is proposed. The converter adds two switch capacitors, which increases the voltage gain by 1/4 during the boost process, reduces the voltage drop coefficient by 1/5 during the step-down process, and reduces the voltage stress of the switch by 1/5. This paper introduces the working process of the super capcitor in the mode of step-up discharge and charging, and designs the voltage/current double closed-loop step-up control strategy. As a result, the output voltage fluctuation is less than 0.98% and the inductor current amplitude is reduced by 0.82 A. At the same time, the constant current to constant voltage step-down control strategy is designed, which increases the charging rate by 9.26%. MATLAB simulation is used to prove the characteristics and theoretical analysis of the proposed converter.

Key words: super capacitor, energy storage system, bidirectional DC/DC converter, wide voltage gain range, control strategy

中图分类号: 

  • TM46
[1]BI K T,SUN L,AN Q T,et al. Active SOC balancing control strategy for modular multilevel super capacitor energy storage system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2019,34(5):4981-4992.
[2]侯宗祥. 高电压增益型超级电容储能系统研究[D]. 北京:北京交通大学,2019.
[3]郭亮,贾彦,康丽,等. 一种蓄电池和超级电容器复合储能系统[J]. 储能科学与技术,2017,6(2):296-301.
[4]曾志辉,许波,刘华启,等. 基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑设计与研究[J]. 河南理工大学学报(自然科学版),2018,37(1):103-109.
[5]王芳,罗胜华,吴海辉. 基于混合储能的新型双向DC/DC变换器控制研究[J]. 电气传动,2019,49(4):48-53.
[6]SAMOSIR A S,YATIM A H M. Implementation of dynamic evolution control of bidirectional DC-DC converter for interfacing ultracapacitor energy storage to fuel-cell system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(10):3468-3473.
[7]章宝歌,张振,王东豪,等. 一种适用于复合储能的双向DC/DC变换器[J]. 储能科学与技术,2020,9(1):178-185.
[8]ZHANG Y,GAO Y P,LI J,et al. Interleaved switched-capacitor bidirectional DC-DC converter with wide voltage-gain range for energy storage systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2018,33(5):3852-3869.
[9]张卫,杨珏,张文明,等. 纯电动汽车蓄电池-超级电容复合能源系统研究[J]. 电测与仪表,2019,56(3):82-90.
[10]王冕,田野,李铁民,等. 应用于储能系统的双向DC-DC变换器研究[J]. 电工技术学报,2013,28(8):66-71.
[11]ARDI H,AJAMI A,KARDAN F,et al. Analysis and implementation of a nonisolated bidirectional DC-DC converter with high voltage gain[J]. Transactions on Power Electronics,2016, 63(8): 4878-4888.
[12]LEE Y S,KO Y P. Switched-capacitor bi-directional converter performance comparison with and without quasi-resonant zero-current switching[J]. IET Power Electronics,2010,3(2):269-278.
[13]宋朝锋,张红娟,靳宝全,等. 一种交错并联零电流软开关双向DC/DC变换器设计[J]. 电测与仪表,2018,55(4):118-123.
[14]李文华,张林林,孟喆,等. 交错式三电平低纹波双向DC/DC变换器[J]. 河南理工大学学报(自然科学版),2017,36(6):99-105.
[15]YANG L S,LIANG T J. Analysis and implementation of a novel bidirectional DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(1):422-434.
[16]王喜利,王根,赵兴,等. DCM模式下双向DC/DC变换器的性能分析[J]. 测控技术,2016,35(8):146-150,153.
[17]周美兰,田小晨. 用于电动汽车的交错并联软开关双向DC/DC变换器[J]. 哈尔滨理工大学学报,2016,21(4):83-89.
[18]张民,于雷,刘贇,等. 交错并联准Z源直流变换器的研究[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2019,38(3):269-274.
[19]吴彦欣,张巧杰,赵晓萌. 一种新型准Z源DC/DC变换器[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2018,37(3):632-638.
[20]房绪鹏,赵扬,李昊舒,等. 一种新型准Z源DC-DC变换器[J]. 电子器件,2018,41(1):136-140.
[21]王利民,钱照明,彭方正. Z源升压变换器[J]. 电气传动,2006,36(1):28-29,32.
[22]陆治国,祝万平,刘捷丰,等. 一种新型交错并联双向DC/DC变换器[J]. 中国电机工程学报,2013,33(12):39-46.
[23]冯兴田,张磊,高春侠. 带超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台[J]. 电力系统及其自动化学报,2018,30(8):145-150.
[24]祁乐,张红娟,靳宝全,等. 基于SOC的储能系统控制策略研究[J]. 煤炭技术,2018,37(6):247-249.
[1] 杨悦强, 祝龙记. 微电网超级电容器混合储能系统控制策略[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2021, 39(2): 71-80.
[2] 曾建强,何明基,李庆余,黄寒星,丁雪雪,毛全元,钟新仙. 中间相炭微球改性聚苯胺超级电容器电极材料研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2017, 35(4): 84-90.
Viewed
Full text


Abstract

Cited
  Shared   
  Discussed   
[1] 韦宏金, 周喜乐, 金冬梅, 严岳鸿. 湖南蕨类植物增补[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2018, 36(3): 101 -106 .
[2] 郑威,文国秋,何威,胡荣耀,赵树之. 属性自表达的低秩无监督属性选择算法[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2018, 36(1): 61 -69 .
[3] 蒋向辉, 蒋天智, 王翔, 苑静. 青钱柳叶多糖中单糖组分分析[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2018, 36(2): 87 -93 .
[4] 曾建强,何明基,李庆余,黄寒星,丁雪雪,毛全元,钟新仙. 中间相炭微球改性聚苯胺超级电容器电极材料研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2017, 35(4): 84 -90 .
[5] 张庆庆, 王燕燕, 孟品佳, 张文芳. 扫集-胶束电泳检测鱼塘水中季铵盐类除草剂[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2017, 35(2): 93 -100 .
[6] 林群武, 闫鹏程, 胡云. 基于DSP的极性相关算法流速测量系统研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2015, 33(2): 9 -14 .
[7] 罗强, 胡三根, 臧晓冬, 龚华炜. 基于ZigBee技术的温室环境因子远程监控系统设计[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2015, 33(3): 28 -33 .
[8] 廖元秀, 周生明, 覃少华. 具有知识服务功能的物联网[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2014, 32(2): 42 -47 .
[9] 夏海英, 颜远辉, 黄思奇, 肖雯静. 面向智能监控的运动目标轮廓可靠提取[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2014, 32(4): 39 -44 .
[10] 赵志常, 胡福初, 胡桂兵, 王惠聪, 杨转英, 苏纯兰, 李加强. 荔枝类黄酮糖基转移酶(UFGT)基因的克隆及其原核表达研究[J]. 广西师范大学学报（自然科学版）, 2011, 29(4): 104 -110 .
版权所有 © 广西师范大学学报（自然科学版）编辑部
地址：广西桂林市三里店育才路15号　邮编：541004
电话：0773-5857325　E-mail: gxsdzkb@mailbox.gxnu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发