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光伏发电技术 DC-DC变换器 ★ 5.0

用于光伏电解制氢集成储能的LCC谐振型电流馈电三端口DC-DC变换器

LCC-Resonant-Type Current-Fed-Out Three-Port DC–DC Converter for PV Electrolytic Hydrogen Production Integrated With Energy Storage

作者 Xiaoqiang Li · Ning Li · Weijie Xue · Wei Mao · Shunshun Qiu · Xiaojie Wu
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年10月
技术分类 光伏发电技术
技术标签 DC-DC变换器
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 三端口直流-直流变换器 离网光伏制氢系统 LCC - CFO - TPC PWM + PFM方法 实验验证
语言:

中文摘要

三端口直流 - 直流转换器凭借其结构简单、成本低和功率密度高的优势,成为离网光伏制氢系统中实现光伏电池、储能装置和电解槽集成的理想解决方案。考虑到电解槽的低电压大电流工作特性以及对电流纹波的敏感性,本文提出了一种 LCC 谐振型电流输出式部分隔离三端口直流 - 直流转换器(LCC - CFO - TPC)。通过采用脉宽调制(PWM)+ 脉冲频率调制(PFM)方法,该转换器能够为电解槽实现高降压比和低输出电流纹波,降低二次侧整流二极管的电流应力,并在全功率范围内实现一次侧全桥的零电压开关(ZVS)。实验室搭建了一台 500 W 的样机,以验证所提转换器的可行性和有效性。此外,通过与采用 PWM + PFM 方法的基于 LLC 的交错升压集成部分隔离三端口转换器(LLC - TPC)以及采用 PWM + 移相调制(PSM)方法的基于移相全桥的部分隔离三端口转换器(PSFB - TPC)进行实验对比,展示了所提转换器的优势。

English Abstract

The three-port dc–dc converter is an attractive solution in off-grid PV hydrogen production systems for the integration of the photovoltaic cells, energy storage and electrolyzer due to simple structure, low cost, and high-power density. Taking working characteristics of low-voltage high-current and sensitivity to current ripples of the electrolyzer into account, a LCC-resonant-type current-fed-out partially isolated three-port dc–dc converter (LCC-CFO-TPC) is proposed in this article. By employing the PWM+PFM method, the converter can achieve high step-down ratio and low output current ripples for the electrolyzer, low current stress for secondary-side rectifier diodes, zero-voltage switching (ZVS) for the primary-side full-bridge across the full power range. A 500 W prototype is built in the laboratory to verify the feasibility and effectiveness of the proposed converter, and the advantages of the proposed converter are also presented by experimental comparison with the LLC-based interleaved-boost-integrated partially isolated three-port converter (LLC-TPC) employing the PWM+PFM method and the phase-shift full-bridge based partially isolated three-port converter (PSFB-TPC) employing the PWM+PSM method.
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SunView 深度解读

从阳光电源氢能与储能业务协同发展的战略视角看,这项LCC谐振型三端口DC-DC变换器技术具有重要的应用价值。该技术针对光伏制氢系统中电解槽的特殊工况需求——低压大电流输出和对电流纹波的高度敏感性——提出了创新的电流馈出型拓扑结构,这与我司在光伏制氢领域推进的"光储氢"一体化解决方案高度契合。

技术层面,该方案通过PWM+PFM复合控制实现高降压比和低输出电流纹波,同时保证全功率范围内的零电压开关,这将显著提升系统效率和电解槽寿命。相比传统LLC和移相全桥方案,其在二次侧整流二极管电流应力控制上的优势,可有效降低功率器件成本和散热压力。三端口集成架构简化了光伏、储能、电解槽之间的能量管理,减少变换环节损耗,这对我司提升离网制氢系统的经济性具有直接价值。

从应用前景看,该技术目前处于实验室验证阶段(500W样机),向兆瓦级工业应用跨越仍需解决功率等级扩展、磁性元件设计优化、多机并联控制等工程化挑战。但其技术路线与我司在高频隔离变换器、谐振软开关技术上的积累形成良好互补。建议重点关注该技术在分布式光伏制氢场景的适配性,特别是与我司储能PCS技术的协同集成潜力。若能突破大功率应用瓶颈,该方案可为我司氢能业务提供差异化的系统级竞争优势,支撑"风光氢储"多能互补战略的技术落地。