通过配合双向DC-DC转换器与蓄电池系统实现智能电源系统
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应用注释
TDK绝缘型双向DC-DC转换器EZA系统是在搭载有通信功能的直流供电系统中作为电力转换平台的电源,通过1台装置进行直流电力的双向交换。通过数字控制实现高性能化。可进行灵活的系统设计。



只需1台便可实现充放电(双向)动作,且由于其为绝缘型,因此可实现高效率的电力转换

通过ICT技术等优化电力供应平衡的智能电网实证实验于各地开展,未来将作为新一代电力基础设施。除此之外,还在开展ZEB(净零能耗建筑)措施,通过使用太阳能或风力等可再生能源实现办公楼等年度零能源收支。在此类系统中,用于储存剩余电力的蓄电池以及通过高效运用储存电力以解决电力高峰问题的技术将会愈发重要。

为此,电源系统需要实现进一步的电力节省。由于电子设备为直流驱动,因此商用交流需要通过电力转换成为直流后进行运用。但在电力转换过程中会因半导体器件发热而产生损失,因此尽可能减少转换次数将有助于节约电力。为此,在智能电网或ZEB等中构建了通过供应直流电力来取代以往商用电流的HVDC(高电压直流)总线,而通过HVDC总线运行电气电子设备,亦或对蓄电池进行充电的直流供电系统备受瞩目。

TDK绝缘型双向DC-DC转换器EZA系列(TDK-Lambda品牌产品)是在直流供电系统中作为电力转换平台的电源,且在HVDC总线与蓄电池之间通过1台装置进行直流电力的双向操作。通过低损耗磁性材料、最新的开关器件,配合投入先进的数字控制电源技术,实现了极高效率的双向转换。除了最大输出电力为2.5kW的传统型号EZA2500之外,还增加了在相同1U全支架尺寸中最大输出达到11kW的EZA11K产品。在运用可再生能源的办公楼、商业设施及公共设施中,通过联动蓄电系统可实现直流供电、耗电量均衡化以及停电时备份等拥有各类功能,且拥有灵活高扩展性特点的电源系统。

HVDC总线与蓄电系统间无缝切换充放电

直流供电系统中构建300~400V左右的HVDC总线,为直流输入电气电子设备供应电力。太阳能发电、风力发电、燃料电池等输出电力为直流,其还拥有通过联动HVDC总线可简单扩展系统的优点。发电产生的电力通过DC-DC转换器转换为电压后供应给HVDC总线,同时剩余电力将储存于运用锂离子电池等二次电池的蓄电系统中。在该HVDC总线与蓄电系统之间进行电力交换的电源为双向DC-DC转换器。
在以往,如果需要此类电源时只能通过全新开发,或切换使用充电用与放电用的2个DC-DC转换器。而TDK的双向DC-DC转换器EZA系列是通过1台DC-DC转换器便可实现充电及放电电力转换的最尖端电源。

太阳能及风力发电所产生的电力会因日照及风速等而发生变化,因此直流供电系统中HVDC总线电压的稳定化成为了重要课题。为了稳定电压,不仅需要对蓄电池进行高度的充放电控制,同时还需要不断地切换充放电。TDK的双向DC-DC转换器EZA系列即使在高效及频繁的切换工作中也能实现不间断的无缝电力转换,在稳定HVDC总线电压方面表现优异。

图1所示为TDK双向DC-DC转换器EZA系列用于产业及商业中的中小规模蓄电系统中的运用模型。

图1 双向DC-DC转换器在中小规模蓄电系统(产业用、商业用)中的运行模型

图1 双向DC-DC转换器在中小规模蓄电系统(产业用、商业用)中的运行模型

通过数字控制电源技术可实现多功能化以及灵活的系统设计

双向DC-DC转换器EZA系列中采用了TDK所积累的数字控制电源技术。
当前主流的开关方式电源通过反馈监控输出电压信息,控制(PWM:脉宽控制)开关器件ON/OFF期间(占空比)来得到稳定的输出电压。在以往的模拟控制电源中,用于控制该ON/OFF期间的信号是通过模拟电路进行处理的。而通过基于A-D转换器、DSP(数模处理器)以及软件的数字信号处理电路实现该信号处理的则是数字控制电源(图2)。

图2 数字控制双向DC-DC转换器的电路方框图与特点

图2 数字控制双向DC-DC转换器的电路方框图与特点

双向DC-DC转换器EZA系列通过运用该数字控制技术,不仅可实现小型、高效化,同时还实现了多功能化。例如,工作模式拥有2种类型,一种是通过来自PC或PLC(可编程逻辑控制器)等上级控制器的指令切换充放电动作的"他律运行模式"。另一种则是相对于HVDC总线电压变动自行决定充放电动作的"自律运行模式"。HVDC总线电压由此来维持稳定。
此外,由于标配有串行通信接口RS485,因此即使在工作过程中也可实时变更电压及电流设置值以及变更工作模式,同时还可对输入输出的电压及电流值进行监控。

双向DC-DC转换器EZA系列的最大特点在于,其不仅能够在蓄电系统及HVDC总线之间进行充放电控制,还可同时对变频器、BMU(电池管理单元)及EDLC(双电层电容器)等进行协调,并根据客户用途灵活构建系统。即使是复杂的控制,也无需开发新专用电源,只需通过数字控制技术,改写控制参数便可简单实现。

双向DC-DC转换器在产业设备再生能源的使用中也发挥着重要作用

由于电源输出电力越大效率也会越高,因此数字控制电源还作为xEV(电动车)电源使用。同时,随着智能电网的普及,将有助于在智能住宅蓄电单元与xEV搭载电池之间互通电力,同时还可与系统电力联动,为消除耗电高峰及转移高峰做出贡献。在此类领域中,双向DC-DC转换器将能进一步扩展其作用空间。

不仅如此,其还可用于起重机、电梯、自动导引运输车、叉车等使用马达的各类产业设备中。此类产业设备会频繁反复启停。因此,通过双向DC-DC转换器将马达制动时的再生能源储存到蓄电池中,并在启动马达等需要大扭矩的情况下供应储存电力作为辅助,便可毫不浪费地实现能源再利用,从而达到节约电力的效果。此外,在停电等紧急情况中,还可从电池中向设备供应预备功能电力(图3)。

图3 通过双向DC-DC转换器EZA系列使用产业用马达再生能源的使用模型

图3 通过双向DC-DC转换器EZA系列使用产业用马达再生能源的使用模型

节能、省电是产业社会最重要的课题,电力电子所承担的作用也将越来越大。而TDK的双向DC-DC转换器EZA系列则是结合了以铁氧体为代表的材料技术、变压器技术、电路技术、评估技术等长年积累的核心技术而开发的产品。它是面向IoT时代而开发的智能、高性能电源。

双向DC-DC转换器EZA系列
【主要特点】
  • 安全性较高,且对噪音对策有利的输入输出绝缘型
  • 通过基于数字控制的优化,实现双向的高效率转换
  • 由于输入输出电压恒定,因此可进行自律运行,实现转换方向的自动切换
  • 无需停止转换器便可实现转换方向的高速切换
  • 可通过串行通信(RS485)实现电流、电压、转换方向的控制以及状态监控
  • 1U全支架尺寸的小型、空间节约型
【主要用途】
  • 对蓄电器件(连接于HVDC总线的锂离子电池、铅蓄电池等)进行充放电控制
  • 运用使用马达的产业设备(起重机、电梯、机器人、自动导引运输车、叉车等)的再生能源

主要规格、电气特性

主要规格、电气特性
产品外观:
EZA2500(上)、
EZA11K(下)
型号名称 EZA2500-32048 EZA11K-320240
高压侧电压范围 320VDC(300~380VDC) 320VDC(240~400VDC)
效率 92% 95%
二次电池侧电压范围 48VDC(36~60VDC) 240VDC(150~300VDC)
最大输出电力 2.5kW 11kW
通信方式 RS485
运行模式 他律/自律
尺寸(W×H×D) 422.8×43.6(1U)×400mm 422.8×43.6(1U)×530mm
其他 可通过输入输出绝缘、并列运行进行扩展
产品外观

使用示例介绍

①刊载有丰电子工业的使用示例。
》使用示例介绍:株式会社丰电子工业 “使用双向DC-DC转换器EZA2500的MPS(多功能电源系统)”

②刊载有eneman公司的使用示例。
》使用示例介绍:株式会社eneman “使用双向DC-DC转换器EZA11K的独立电源系统eneman”

③ 刊登成宏电机的使用事例。
》 使用事例介绍:株式会社成宏电机 “活用双向DC-DC转换器EZA系列的再生能源活用型直流微电网系统”

④ 刊登学校法人 金泽工业大学的使用事例。
》 使用事例介绍:学校法人 金泽工业大学 “利用双向DC-DC转换器EZA系统实现的再生能源利用/热电联合型DC微电网系统”