一种新型双向DC—DC变换器.pdf

第 4 2卷 第 9期 2 0 1 6年 9 月 工矿 自 动化 I n dus t r y an d M i ne Au t oma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 9 S e p ．2 01 6 文章编 号 1 6 7 1 - 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 5 2 0 5 房绪鹏 ， 庄见伟 ， 李辉． 一种新型双向 D C D C DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 - 2 5 1 X ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 2 变换器[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 5 2 5 6 ． 一 种新型双向 D C - D C变换器 房绪 鹏 ， 庄见 伟 ， 李 辉 山东科技大学 电气与 自动化工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘 要 针对 传统 B u c k B o o s t 变换 器存在 的输 出电压有 限 、 稳 定性 较 差 、 增益 较低 等 问题 ， 设 计 了一种 采 用 Z源 网络 连接 直流 输入 电源和 负载的新 型双 向 D C D C 变换 器 ， 分析 了该 新 型 变换 器在 功 率 正 向传 输 和 功率反 向传输时的工作过程。实验结果表明， 该新型变换器能够 实现功率双向传输， 且在 2种功率传输模式 下都能实现升压、 降压功能； 与传 统 B u c k ～B o o s t变换 器相 比， 该新型 变换 器输 出电压更稳 定， 电压增益 较 高。 关键 词 蓄 电池机 车 ；双 向 D C D C变换 器 ；功 率双 向传输 ； Z源 网络 中图分类 号 TD 6 1 1 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 1 5 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 O 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 5 ． 0 1 2 ． h t ml A n o v e l b i d i r e c t i o n a 1 DC DC c o nv e r t e r F ANG Xu p e n g ， Z HUANG J i a n we i ，LI Hu i Col l e g e o f El e c t r i c a l Eng i ne e r i n g a nd A u t o m a t i o n，S ha n do ng Uni ve r s i t y of Sc i e nc e a nd Te c h n o l o g y，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0 ，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r s h or t a ge s o f t r a di t i on a l Bu c k Boo s t c o n ve r t e r s s uc h a s l i mi t e d o ut p ut v o l t a g e， po o r s t a b i l i t y，l O W v o l t a ge g a i n a nd S O o n， a no v e l bi di r e c t i o n a l DC DC c o nv e r t e r wa s de s i g ne d wh i c h u s e d Z s o u r c e ne t wo r k t o c o nne c t DC i n pu t p owe r a nd I o a d． W or k i ng p r oc e s s of t h e no v e l c o nv e r t e r wa s a n a l y z e d du r i ng p o we r f o r wa r d t r a ns m i s s i o n a nd p owe r r e v e r s e d t r a ns m i s s i o n．The e x pe r i m e nt a l r e s u l t s s ho w t ha t t he no v e l c o n ve r t e r n ot o nl y r e a l i z e s b i di r e c t i on a l p owe r t r a ns mi s s i o n，but a l s o r e a l i z e s vo l t a g e l i f t i ng a nd f a l l i ng und e r p o we r f or wa r d t r a n s mi s s i o n m o d e o r t he r e v e r s e d on e． I n a dd i t i on， t he n o ve l c on ve r t e r ha s mor e s t a b l e o ut pu t v o l t a g e a nd h i gh e r v o l t a g e ga i n t ha n t r a d i t i on a l Buc k Bo o s t c on ve r t e r ． Ke y wo r ds l o c o mo t i v e d r i ve n by s t o r a ge ba t t e r y；b i di r e c t i o na l DC- DC c o nv e r t e r；bi di r e c t i o n a l po we r t r a n s mi s s i o n；Z s ou r c e ne t wo r k 0 引言 当今科 学 技 术 日益 发 展 ， 直 流 电 源系 统 发展 迅 速 ， 在各种场合中的应用越来越普遍 ， 要求也越来越 高 1 ] 。如何设计开发出更小体积、 更低成本、 更高性 能 的 D C D C变 换器 ， 是 当今 电源技 术研 究 的主题 。 传 统 的 B u c k B o o s t变 换 器 实 际 输 出 电 压 有 限 ， 稳定性较差 ， 电压增益较低 ， 安全性 、 可靠性较 低 ， 制 约 了其 发 展 。本 文 提 出 一 种 新 型 双 向 D C D C变 换 器 ， 与 传 统 的单 向 B u c k B o o s t 变 换 器 相 比， 其 可在 一个 电路 拓扑结 构 中完成 能量 双 向流动 ， 现场操作方便 ， 减小 了部件体积， 节省了造价 ， 提升 了能量 转 换 率 _ 3 ] 。该 新 型 双 向 DC DC变 换 器 设 置 了独 特 的 Z源 网络 ， 具 有 变 压 精 度 高 、 抗 电磁 干 扰能力强、 输出电压稳定性强等优势 ， 且具有很高的 可靠性和安全性 ， 可避免 MO S F E T功率开关共 态 收稿 日期 2 0 1 6 0 1 0 3 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 7 2 0 ； 责任编辑 李明。 基金项 目 中国博士后科学基金 资助项 目 2 0 0 9 0 4 6 1 2 5 4 。 作者简介 房绪鹏 1 9 7 1 一 ， 男， 山东汶上人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为阻抗 源变流器及其应用 、 现代电力电子技术在电气传 动和新兴 能源利用 方面 的应用等 ， E - ma i l x p f a n g 6 9 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 6年 第 9期 房 绪 鹏等 一种 新 型双 向 D C D C变换 器 5 3 导通或共态关断时损坏电力 电子器件 。 蓄 电池 机 车是 煤 矿 井下 的 主要 动力 设 备 ， 负责 人 员 、 物料运 输 。蓄 电池 机 车一 般 由车 载 5 5 0 V 蓄 电池供 电。电源经逆变器、 高频变压器和整流装置 降压后 ， 可为机车上的 2 4 V低压用 电设备 ， 如照明、 电笛 、 通 信 、 综合 检测 保护 装置 及其 他控 制设 备提 供 电能 4 ] 。当机车停电或发生故 障时 ， 低压用 电设备 也会 断 电 ， 给井 下 生 产 造成 不 便 。为 了避 免 该 种 情 况 ， 在 蓄 电池 机 车 中加 入新 型 双 向 DC D C变 换 器 ， 如图 1所示 。该 D C DC变换器正向工作时 ， 将低 压用 电设备两端 的直流电源降压为适用于 1 2 V蓄 电池两端充 电的 电压 ； 当机 车停 电或发 生故障时 ， 1 2 V蓄 电池放 电 ， 经 DC D C变换 器 升压 后 为 2 4 V 低压用 电设备供 电。这使得低压用 电设备供 电不问 断， 即使出现异常情况也能正常工作 。 图 1 井 下蓄电池机车供 电结构 1 新 型双 向 D C D C变 换器 拓扑 结构 新 型双 向 D C D C变换 器在 输 入 直流 电源 和负 载 之 间采用 Z源 网络 进行 连接 [ 5 ] ， 如 图 2 所 示 ， 其 中 虚 线框 内为双 向 DC D C变换器 拓扑 结构 。该新 型 双向 D C D C变换器输入可为任意类型直流 电源 ， 输出采用蓄电池组储能 ， 功率正 向传输时可给蓄电 池组充 电， 功率反向传输时蓄 电池组可为直流负载 提供 电能 。图 2中 Z源 网络 是 由 2 个 相 同 电感 L ， L 和 2 个 相 同 电容 C 。 ， C 。 组 成 的 X形 网络 ， 双 向 电力 电 子 开 关 V ， V 采 用 MOS F E T 或 I G B T ／ D i o d e 开 关器 件 。 v 2 I L 3 L l f T} m 1． l 量 图 2 新 型双向 D C D C变换器拓扑结构 2新 型双 向 D C D C变换 器工 作原 理 2 ． 1 功 率正 向传输 时变换 器工作 过程 由于 L ， L 具有相等的电感量 ， c ， C z 具有相 等的电容量， 所以 Z源 网络对称 。由电路的等效性 和对称 性得 r 6 f UL UL 1一 UL 2 U U U ㈩ I L一 L1 一 L2 一 【 U c U c 1 一U c 2 式 中 己 ， ， 【 ， 。 ， U ， U。 分别 为 开关 V 导 通 时 L ， L 2 ， C 1 ， C 2 两端 电压 ； U L 1 ， U L 2 ， U c 1 ， U c 2 分 别 为开 关 V 导通 时 L ， L 。 ， C ， C 。 两端 电压 。 当功 率 正 向传 输 时 ， 变换 器 拓 扑结 构 左 端输 人 为直流电源， 为低 压用电设备 R供电 ； 右端输 出为 蓄 电池 充 电 。V ， V 采取 互 补 导 通 方式 ， 有 2种 工 作模式 。 工作模 式 1 任 意直 流 电源 向 电感 L 3 充 电 ， L ， L 对 C ， C 供 电， C 向蓄 电池充 电， 等效 电路如 图 3 a 所 示 。设 在 1个 开关 周 期 T 内 ， V 导 通 的 时 间为 DT D 为 V 的 占空 比 ， 则 』 u 一 一 【 ， c 2 l U 一 UL 。 式中 Ui 为 输 入 电压 ； U 。 为 V 导 通 时 L 。两 端 电压 。 L 3 L I l l l l ／n＼ l 丰 c3 I 一● a 工作模式 1 L 3 Ll b 工 作 模 式 2 图 3 功率正 向传输时新型双 向 D C D C变换器等效 电路 工作模 式 2 任 意 直 流 电源 向 L ， L 2 充 电 ， C 1 ， C 。 放 电， 直流电源协助 Z源 网络向 C 和蓄电池充 电， 等效电路如图 3 b 所示 。设在 1个开关周期 T 内， V。 导 通 的时 间为 1 一D 1 1 ， 则 f 己 ， u o 【 ， c ， 【 Ui U L 3 2 Uc一【 ， 0 5 4 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 式 中 U0为 输 出 电 压 ； U 。 为 V 导 通 时 L 嵋两 端 电压 。 根 据稳 态 电感磁 通守 恒定 律 ， 1个 开 关 周期 内 ， L 的平 均 电压 为 0 ， 则 U 一 u一 里 1_ 一0 4 式 中 Uu为 L 两 端平 均 电压 。 将 式 1 一 式 3 代入 式 4 ， 得 二 ． 二 一 0 5 即 Uc一 U。 6 1个开 关周 期 内 ， L 嵋的平均 电压 也为 0 ， 则 。 。一 里三 1_ 一0 7 式 中 【 ， 。 为 L 3 两 端平 均 电压 。 将 式 2 一 式 6 代 人式 7 ， 得 二呈 二望 一 0 8 即 U一 1 D 9 一 ⋯ 因 此 功 率 正 向 传 输 时， 电 压 增 益M 一 __ 。 2 ． 2功 率反 向传 输 时 变换 器工作过 程 对 于对称 的 Z源 网 络 ， 当 功 率 反 向传 输 时 ， 右 端 输人 为蓄 电池 放 电 ， 左 端 输 出 为低 压 用 电设 备 R 供 电。V ， V 采 取 互 补 导 通 方 式 ， 有 2种 工 作 模 式 。 工作模式 3 蓄电池与 z源网络 隔离 ， C ， C 向 L ， L 提供 能 量 ， L 3 给 C 和 直 流 负载 供 能 ， 等效 电 路如图 4 a 所示 。设在 1个开关周期 T内， V 导 通时 间为 DT， 则 I U 一一 一 一 u c 1 o 【 U0一 UI 3 工 作 模 式 4 蓄 电池 向 C ， C 充 电 ， L ， L 放 电 ， 蓄 电池 协助 Z源 网络 中 的 L 和 L 向 C 及低压 用 电设 备 R供能 ， 等 效 电路 如 图 4 b 所示 。在 1 个 开关周期 T内， V 导通时间为 1 一D T， 则 f己 ， c U l U i i u 。一 u， L 。 2 【 ， c Ui 将 式 1 、 式 1 0 、 式 1 1 代 人式 4 ， 得 -- U cD T U c _ _ -- U i 1 -- D 一 T 一 0 1 2 l 上 r 上 十 I 十 丰 c 3 一 T 丁 - l I q 二 I a 工作模式 3 L J 【 b I ． 作 俣 式4 图 4 功率反 向传输时新型双 向 D C D C变换器等效 电路 即 uc一 U． 1 3 将 式 1 、 式 1 0 、 式 1 3 代入 式 7 ， 得 二 二 一0 1 4 即 一 1 2 D 1 5 U ． 一 ⋯ 因此功率反向传输时 ， 电压增益 M 1 -- D 。 3 2种 变换器 性能 比较 从 电压增 益、 开关 电压应 力 2个 方面 对传 统 B u c k B o o s t 变 换 器 和 新 型 双 向 D C DC变 换 器 进 行 比较 。 3 ． 1 电压 增 益 根 据传 统 B u c k B o o s t 变换 器和 新型 双 向 D C D C变换 器 的 电压 增益 公 式 ， 采 用 Ma t l a b ／ F i g u r e 软 件绘 制 2种变换 器 电压 增 益 曲线 ， 如 图 5所 示 。可 看 出 0 D 0 ． 6情况 下 ， 新 型双 向 D C D C变换 器 功率 反 向传输 时理 论 上 可实 现 无 限大 的输 出 电压 ， 且具有相 同 占空 比条 件下 ， 其 电压增 益大 于传统 B u c k B o o s t 变换 器 ， 满 足 高 电 压输 出需 求 ； 当具 有 相 同电压 增益 时 ， 其 开关 导通 时间较 短 ， 有 利 于功率 开关 器件 散热 _ 7 ] 。 3 ． 2 开 关 电 压 应 力 具有相同输入 、 输出电压 ， 相同负载的 2种电路 拓扑结构 ， 其功率开关器件承受的电压应力也会有 所不 。假设 新型双 向 DC D C变换 器及传 统 B u c k B o o s t 变 换 器 的 输 入 电压 为 己 ， 。 ， 输 出 电 压 为 第 4 2卷 第 9期 2 0 1 6年 9月 Vo 1 ． 4 2 NO ． 9 S e p ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 9 0 0 5 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 9 ． 0 1 3 杨萌萌， 袁梅 ， 徐林 ， 等． 粒径对煤中瓦斯放散初速度影响实验研究[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 5 6 5 9 ． 粒径对煤中瓦斯放散初速度影响实验研究 杨 萌 萌 ， 袁 梅 ， 徐 林 ， 许石 青 ， 李 闯 ， 王 玉丽 1 ． 贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 2 ． 贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室 ， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 2 5 ；3 ． 贵州省优势矿产资源高效利用工程实验室 ， 贵州 贵阳 5 5 0 0 2 5 ； 4 ． 复杂 地质 矿 山开采 安全技 术工 程 中心 ， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 2 5 摘 要 为 了分析粒 径 对煤 中 瓦斯放 散初 速度 的 影响 ， 以某煤 矿 4号 煤层 小于 7目、 7 ～ 1 0 目、 1 0 ～ 1 8 目、 1 8 ～3 5目的 自然风 干 、 烘干及 水 分含量 分别 为 3 V o 、 5 、 7 的煤 样 为研 究对 象 ， 借 助 W T一 1型 瓦斯放 散 初 速 度 测定仪 ， 测 试 了不 同含 水 率煤样 的 瓦 斯放 散初 速 度 与 粒径 的 关 系， 并测 试 了 自然风 干 和 烘 干 5 h ， 粒 径 为 小 于 7目与 3 5 ～6 0目、 7 ～ 1 0目与 3 5 ～6 0 目、 1 O ～1 8目与 3 5 ～6 0目的煤样 ， 在 配 比分别 为 6 1 ， 5 2 ， 4 3 ， 3 4 ， 2 5 ， 1 6 情 况 下的 瓦斯 放散 初速 度 。 实验 结果 表 明 ， 随着 粒径 减 小 ， 不 同含 水 率 的煤 中瓦斯 放 散初 速度 不 断增 大 ， 且粒 径越 小 ， 煤 中瓦斯放散 初 速度 的增 大趋 势越 明显 ； 煤 层 中粒径 小的煤 颗 粒 占比越 大 ， 煤 中 瓦斯 放 散初 速度 越 大 。 关键 词 瓦斯放散 初 速度 ；粒径 ；瓦斯吸 附 ；瓦斯 解吸 ；含 水 率 ；粒 径配 比 中图分类 号 TD 7 1 2 文 献标 志码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 9 0 2 1 0 1 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 6 0 9 0 2 ． 1 0 1 6 ． 0 1 3 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 3 1 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 - 0 7 2 1 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家 自然科 学基金 资助项 目 5 1 5 7 4 0 9 3 ； 贵州大学 矿业学 院研 究生创新基金 资助项 目 院研 2 0 1 6 0 1 0 1 ； 贵州省科 学技术基 金资助 项 目 黔科合 J字[ 2 O l 5 ] 2 0 4 9 号 ； 贵州大学引进人才项 目 贵大人基合字 [ 2 o 1 5 ] 3 0号 ； 贵州省科技厅 、 贵州大学联合资金计划资助项 目 黔科 合 L H字 [ 2 o 1 4 1 7 6 5 4 ； 贵州省高校工程技术研究中心建设项 目 黔教合 KY字[ 2 0 1 3 ] 1 1 2 。 作者简介 杨萌萌 1 9 9 0 一 ， 女 ， 山东 聊 城人 ， 硕士研 究 生 ， 研 究方 向 为矿 山灾 害 防治 ， E - ma i l y a n g me n g me n g 7 7 7 7 1 6 3 ． c o rn。通 信作 者 袁梅 1 9 7 3 一 ， 女 ， 贵州贵阳人 ， 教授 ， 博士 ， 研究方 向为煤矿安全 ， Ema i l g u t y u a n me i 1 2 6 ． c o rn。 该新 型 双 向 D C DC变 换器 与传 统 B u c k B o o s t 变 换 器相 比 ， 具 有 较高 的 电压 增 益 ， 输 出 电压 更 稳 定 ， 可实现功率双向传输， 且每一功率传输方 向均能实 现 升压 、 降压 。 参 考 文 献 [ 1 ] E 2 ] [ 3 ] 彭方正 ，房绪鹏 ，顾斌 ， 等． z源 变换器 [ J ] ． 电工 技术 学报 ，2 0 0 4 ， 1 9 2 4 7 5 1 ． F ANG X，J I X． B i d i r e c t i o n a l p o we r f l o w Z s o u r c e d c d c c o n v e r t e r [ c ] ／ ／I E E E Ve h i c l e P o w e r a n d P r o p u l s i o n Co n f e r e n c e ，B e i j i n g，2 0 0 8 1 - 5 ． COS TI NE TT D J ． An a l y s i s a n d d e s i g n o f h i g h e f f i c i e n c y ， h i g h c o n v e r s i o n r a t i o ，DC DC p o we r c o n v e r t e r s [ D] ． Mi c h i g a n Mi c h i g a n T e c h n o l o g i c a l Uni v e r s i t y，2 01 3． [ 4 ] 梁 ，欧阳名 三． 基于 S G 3 5 2 5 矿用直流变换器控制 电 路 的设计E J ] ． 电源技术 ， 2 0 1 2 ，3 6 2 2 4 5 2 4 7 ． r 5 ] PHAM C T， S HEN A， DZ UNG P Q， e t a 1 ． A c o m p a r i s o n of c o nt r ol me t h ods f o r Z Sou r c e i nv e r t e r [ J ] ．E n e r g y a n d P o we r E n g i n e e r i n g ，2 0 1 2 ，4 4 l 8 7 1 95 ． [ 6 ] 王利 民 ， 钱照明 ， 彭方正． Z源升压 变换器[ J ] ． 电气传 动 ，2 0 0 6，3 6 1 2 8 2 9 ． 1- 7 3 王利 民 ， 钱照 明， 彭 方正． z源直 流变换 器[ J ] ． 电气应 用 ， 2 0 0 5 ， 2 4 2 1 2 3 1 2 4 ． I- 8 ] 张杰 ， 葛静 ， 吴朋 ． Z源直流变换器 电感 电流断续工作 模 式分析I- J ] ． 湖北工业大学学报 ， 2 0 1 0 ，2 5 5 7 - 1 0 ． ∞ 化 m ∞ 动 自 d 矿 工_耋 d k