针对智能电网解决方案中的储能元件优化的 DC/DC 转换器

时间:2022-09-06来源:佚名

  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。

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