1基于准源的混合储能系统开关器件应力与成本分析

1、第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会Z 源变换器的混合储能系统开关器件应力与成本分析基1，崔文峰 2，胡1，1(1. 浙江大学电气杭州 310027；2. 宁波中车新能源科技宁波 315100)摘要：电力电子变换系统是实现高性能混合储能系统的重要基础。相比于目前常用的两级式结构，基于阻抗网络的混合储能变换器减少了开关器件数目，提高了系统可靠性。为了深入研究该类拓扑的实用性，本文以基Z 源变换器的混合储能系统为例，首先对器件的电压和电流应力等方面进行了详细研究与验证。在此基础上，以实际电动汽车驱动系统为例进行了开关器件成本的分析与比较。最后，了基于阻抗网络的混合储能变换器中储能元件额定电压

2、优化运行区间。该研究能为基于阻抗网络的混合储能变换器的实际应用提供重要的指导。：准 Z 源变换器；混合储能系统；开关器件应力；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来，围绕基于阻源变换器的复合储能系统，引起人们的引言关注。该类变换器具有单级结构

6、，可靠性高、对直通故混合储能系统是车载储能系统性有效之一。障鲁棒性强等优势。文献5-6对其内在运行机理、控制策略等方面进行了系统的研究。为了深入研究该类拓扑与纯电池储能系统相比，混合储能系统具有快速及率充放电能力，能满足电动汽车在加速、爬坡及快速制的实用性，本文以基Z 源变换器的混合储能系统为动等方面的性能需求1-3。电力电子变换器是高性能混例，首先对器件的电压和电流应力等方面进行了详细研合储能系统的基础。目前混合储能的电力电子变换系统究与验证。在此基础上，以实际电动汽车驱动系统为例常采用两级或多级式变换结构，通过动态响应、损耗、进行了开关器件成本的分析与比较。最后，了基于成本之间折中，实现混

7、合储能系统的优化设计4。近年阻抗网络的混合储能变换器中储能元件额定电压优化运基Z 源变换器的混合储能系统开关器件应力与成本分析行区间。该研究能为基于阻抗网络的混合储能变换器的2开关器件应力分析实际应用提供重要的指导。相比于两级式结构的混合储能系统，基Z 源变1基Z 源变换器的混合储能系统换器的混合储能系统减少了 3 个开关器件。本节分别比较了在相同的负载功率和输出线电压下两种系统直流侧准Z 源变换器(quasi-Z-source inverter, qZSI)基本原理已在多篇文献中进行了介绍7-10。在已有拓扑中嵌入和交流侧开关器件的电压和电流应力。为了不失分析的基Z 源变换器的混合储能系统，

8、一般性，首先定义升压比(B)和输出功率比(K):多元储能介质将Vb Vline如图 1 所示。以超级电容与电池组为例，其基本原理如B (1)下：电池和电机的功率分别通过 S 和逆变器调节。电池7K PoPb组和电机的功率差异由超级电容承担。牵引工况下，超(2)级电容和电池为电机供电。回馈制动工况下，电机能量式中，Vline 为输出线电压峰值，Vb 为电池电压，Pb为电池功率，Po 为输出功率。2.1 电压应力比较反向回馈给超级电容和电池。电池由电压定律准 Z 源变换器中开关 S7L1的电压应力 VS7 理论计算表达式：S1S3B 1VC1V超级电容电机=VV V V(3)S7C1C2bline

9、lineBS2SS6式中，V 为 S7 的电压应力计算值，VC1，VC2 分别S7为 C1，C2 两端电压。从式(3)可以看出，随着升压比 B的增大，开关器件 S7 的电压应力不断减小，逐渐趋近于图 1 基Z 源变换器的混合储能系统结构图S9L3Vline。当三相负载对称时，交流侧各开关器件电压应力相等，其计算值可表示为：S12S14电池S8 S11 电机L4B 1VV(4)aclineBS13S15S17S超级电容 10从式(4)中可以看出，当交流侧为三相对称负载时，基Z 源变换器的混合储能系统交流侧开关器件的电压应力将高于 Vline，同时随着升压比 B 的增大而逐渐减小。而两级式结构系统

10、中直流侧各开关器件电压应力图 2 传统两级式结构系统结构图根据图 1 可知，基Z 源变换器的混合储能系统为单级式结构，直流侧和交流侧通过准 Z 源变换器相融合。传统两级式结构系统结构图如图 2 所示。相比于两Vboost 表达式为：级式结构系统，基Z 源变换器的混合储能系统开关V V(5)boostline器件使用数目减少。开关器件的应力也与传统的准 Z 源当交流侧为三相对称负载时，两级式结构系统交流变换器存在差别。因此，需要结合混合储能系统分析基侧各开关器件电压应力相等，其计算值为：Z 源变换器的应力情况，为混合储能系统开关器件V V(6)Z 源变换器的混invline选型提供参考。比较式(

11、3)-(6)，可以看到，基S16S5C2S7L2第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会合储能系统单个开关器件电压应力大于两级式结构系统得最小值。Vstress Vline中单个开关器件电压应力。如图 3(a)所示，直流侧电压应力 VS7 和交流侧电压应力 Vac 随 B 的增大逐渐减小，与两级式结构中开关器件电压应力的差距逐渐减小。K2.01.0V 0.81.5S7KmaxVlineVboost0.61.00.4VlineKmin2.2 电流应力比较0.50.200根据电流定律准Z 源变换器中开关S7551234B1234B(a)(b)KK1.01.00.8的电流应力 IS7 可表示为：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为S的电流应力计算值，I为超级电容平均电(c)7UCS7图 3 开关器件应力对比图流， Ib 为电池电流平均值。定义两级式结构中直流侧 4 个开关器件电流应力最大值为该结构中器件电流应力，即：综合开关器件应力和实际应用工况，B 和 K 的优化取值范围为：3 3B 3B12 B 5, K B(11)BPoI max B K,(1 K ) B 1 V(8)3Bboos

13、tline本节通过对两种结构的系统开关器件电压和电流比较式(7)和(8)可以得到直流侧开关器件电流应力应力的比较，得出了 B 和 K 的优化设计范围。实际应用I 小于 I时的取值区间，如图 3(b)灰域。S7boost中，输出线电压峰值 Vline 为确定值，跟据所得 B 和 K 的范围确定电池和超级电容的额定电压能够满足开关器件基Z 源的混合储能系统交流侧开关器件的电流应力 Iac 计算值为：应力低的需求。 1 (I I )+ 1 2PoIacL1L2323V为验证上述器件电压、电流应力理论分析的正确性，line(9)B 1 B12B12P本文通过PSIM 进行了仿真分析，表1 为主要仿真参

14、数。表 1 主电路参数 max o K +,B 1B 13Vline33 式中，IL1，IL2 分别为电感 L1，L2 电流。结构系统交流侧开关器件电流应力计算值为：两级式参数数值负载功率 Po输出电压峰值 Vline3 kW 180V63V117V5kHz2PoI电池电压 Vb超级电容电压 VUC开关频率 fz(10)inv3Vline图 3(c)，其中比较交流侧器件电流应力表达式图 4(a)为牵引工况下，B=2.85，K=0.46 的仿真波形。图 4(b)为回馈制动工况下，B=2.85，K=0.6 的仿真波形。灰域为基Z 源变换器的混合储能系统交流侧开关器件承受最小电流应力情况下 B 和

15、K 的取值。由式(9)图中， I 为由式(7)计算出的 S7 电流应力理论值，iS7 为S7，I 最小值为输出电流峰值，与两级式结构交流侧acS7 的电流瞬时值， I 为由式(9)计算出的交流侧开关器ac电流应力 I 相等。图 3(d)为(b)和(c)的交集，灰域inv件电流应力的理论值，Iac 为交流侧开关器件电流应力仿真值。表示 IS7 小于双向 Boost 开关器件电流应力，且 Iac 也取基Z 源变换器的混合储能系统开关器件应力与成本分析KIac0 8IS7Iac0 61200V/1200A1200V/800AiS70 41200V/600A-51200V/400A0时间(0 2ms/

16、div) (a)0 20B2 02 53 03 54 04 5Iac图 5 开关器件电流等级对比图IaciS7IS7灰间代表基Z 源变换器的混合储能系统开-300时间(0 2ms/div)关器件电流应力小于两级式结构的范围，与式(11)对应。从图中可以看出，式(11)对应的 B 和 K 的取值同时满足了系统器件应力小和成本低的需求。(b)图 4 不同工况仿真波形由图 4 可以看出，S7 开通时间内，理论计算值I与S7iS7 的电流曲线中点电流相等，交流侧开关器件的电流应在式(11)所表示的区间内选择一组 B 和 K 的值具体计算开关器件成本。以 B=3，K=0.5 为例，根据式(3)-(10)

17、，力 Iac 曲线与理论计算值I 重合，因而验证了理论推导的ac正确性。基Z 源变换器的混合储能系统和两级式结构系统开3开关器件成本比较与分析关器件直流侧和交流侧的电压和电流应力分别如表 2 和表 3 所示：根据开关器件电压和电流应力的分析，本节参考表 2 直流侧开关器件电压和电流应力NISSAN LEAF11-12动力系统的配置参数了系统中开关器件的成本。NISSAN LEAF 电机线电压峰值 Vline为 500V，最大输出功率 Po 为 80kW。器件电压等级方面，两级式结构系统的开关器件电压应力为 500V，因此直流侧选择电压等级为 1200V 的开关器件。基Z 源变换器方案中，VS7

18、 和Vac 随B 增大逐渐减小，逐渐趋近于500V。因此，基Z 源变换器的混合储能系统选用电压等级为 1200V 的开关器件。由于所需器件电压等级高，而表 3 交流侧开关器件电压和电流应力交流侧MOSFET 在高电压下导通电阻大于导通电阻，为了减小系统的开关损耗，开关器件均选用。图 5表示了器件电流等级选型范围，其中各电流等级开关器表 4、5 分别列出了基Z 源变换器的混合储能件所适用的 B 和 K 的范围用不同色彩标出。系统和两级式结构系统开关器件型号及价格。电流(5A/div)电流(5A/div)电压应力/V电流应力/A基Z 源变换器的混合储能系统666.67184.752两级式结构系统5

19、00184.752电压应力/V电流应力/A基Z 源变换器的混合储能系统666.67184.752两级式结构系统500240/120第十一届中国高校电力电子与电力传动学术年会的优化运行区间。表 4 基Z 源变换器的混合储能系统开关器件型号及价格规格器件价格/元合计/元4结论本文分析了基Z 源变换器的混合储能系统开关器件的电压和电流应力。通过比较基Z 源变换器的混合储能系统和两级式结构系统开关器件应力和成本，表 5 两级式结构系统开关器件型号及价格得出了电池与超级电容额定电压优化设计范围，并通过价格/元合计/元规格器件了相关理论的正确性。为实现基Z 源变换器的混合储能系统可靠性的与开关器件成本的降

20、低，提供了超级电容和电池额定电压的选取参考。需要的是，本文未涉及无源元件成本的分析。基Z 源变由表 4 和表 5 可以看出，在 B=3，K=0.5 情况下，换器的混合储能系统和两级式结构系统无源元件数量相相比于两级式结构系统，基Z 源变换器的混合储能同，后续研究将会对基Z 源变换器的混合储能系统系统开关器件节约了 28.97%的成本。实际应用中，IS7无源元件的成本进行探讨。随 K 值的变化而增大，导致器件电流等级升高，成本增参考文献：加，但使用数目少，且不流等级的差Z 源变换器的混合储能系统开关器件成本价小，基1S. K. Kollimalla, M. K. Mishra, and N. L

21、. Narasamma. Design and依然低于两级式结构系统。图 6 为 B=3，开关器件节约ysis of Novel Control Strategy for Battery and Supercapacitor的成本随 K 值变化的条形图。从图 6 中可以看出，相比于两级式结构系统，开关器件成本降低约 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图 6 开关器件成本比较Battery-Ultracapacitor Hybrid Energy Source J. IEEE Tranions on基于开关器件电压和电流应力的分析，综合系统成er Electronics, 2013, 28(2):806-815本分析，式(11)所对应的 B 和 K 的取值能够满足基于阻5Sideng

24、Hu, Zipeng Liang, and Xiangning He. Ultracapacitor-Battery抗网络的混合储能变换器开关器件应力小和成本低的双Hybrid Energy Storage System Based on the Asymmetric Bidirectional Z重要求。在已知输出线电压 Vline 情况下，根据式(11)确定 B 的值，进而得出电池额定电压和超级电容额定电压降低成本比例%1050.30.350.40.450.50.550.60.65K直流侧器件1200V/600AFF600R12ME41646 91200V/300AFF300R12ME49

25、84.7交流侧器件1200V/450AFF450R12ME41227.836315.0直流侧器件1200V/360AFZ400R12KE3802.1交流侧器件1200V/450AFF450R12ME41227.834485.5基Z 源变换器的混合储能系统开关器件应力与成本分析-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