基于三端口雙向DC/DC變換器的高增益組合式交直流變換器

楊 柳，楊 帆，吳紅飛

（南京航空航天大學自動化學院，南京 211106）

以光伏發(fā)電、風力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)自身具有明顯的間歇性和隨機性特點[1-2]，為了提升可再生能源的收集效率，減小可再生能源大規(guī)模接入電力系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊和負面影響，實現(xiàn)間歇式和隨機性電能的高效存儲轉(zhuǎn)換是解決上述問題的必由途徑[3-4]。儲能系統(tǒng)目前代表性的應(yīng)用是由分布式發(fā)電單元、儲能和負荷組成的微網(wǎng)系統(tǒng)，在微網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定控制、電能質(zhì)量的改善和不間斷供電發(fā)揮至關(guān)重要的作用，是整個系統(tǒng)安全、可靠運行的基礎(chǔ)。不僅如此，在各類獨立/并網(wǎng)新能源供電系統(tǒng)和智能電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)都將發(fā)揮越來越重要的作用，研究高效儲能系統(tǒng)及其配套控制裝置，是確保各類電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵。

雙向變換器是將蓄電池與電力系統(tǒng)有效銜接的核心設(shè)備，不僅肩負著蓄電池和直流母線之間雙向功率、電壓變換的任務(wù)，而且用于實現(xiàn)蓄電池充放電管理、直流母線電壓調(diào)節(jié)等控制功能[5]。由于儲能本體特別是各類蓄電池自身輸出電壓偏低，通常采用雙向直流變換器級聯(lián)雙向逆變器的兩級式架構(gòu)實現(xiàn)交直流雙向變換。為了與交流配電網(wǎng)甚至主干電壓對接，兩級式系統(tǒng)中的直流母線電壓通常為400 V、800 V，甚至更高。蓄電池電壓與直流母線電壓的懸殊差異要求雙向變換器必須要能夠在升壓和降壓2種工作模式下實現(xiàn)高升壓比和高降壓比，即其應(yīng)該具有高電壓增益比。此外，雙向變換器應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)高效率。

為了提高組合式高增益DC/AC變換器的增益比，國內(nèi)外學者針對高效率高增益DC/DC變換器進行了深入研究。開關(guān)電容變換器利用對電容的充放電控制來提高輸出電壓。將電容的數(shù)量增加可以進一步提高變換器的增益。這種變換器沒有磁性元器件，具有功率密度高的優(yōu)點，其缺陷在于電容充放電時存在很大的尖峰電流，開關(guān)損耗較大[6-7]。有學者在零輸入電流紋波Boost電路的基礎(chǔ)上增加耦合電感，通過設(shè)計耦合電感的變比實現(xiàn)高增益，但是開關(guān)管兩端存在電壓尖峰，需要增加吸收電路[8]。

傳統(tǒng)的高增益組合式交直流變換器一般將前級高增益DC/DC變換器的高壓輸出端口和后級全橋DC/AC變換器相連，后級的所有功率全部流經(jīng)高壓母線。事實上，前級雙向DC/DC變換器的低壓母線端口也可以在電網(wǎng)電壓小于母線電壓的時刻單獨和交流側(cè)交換功率，即將前級雙向DC/DC變換器作為三端口變換器運行[11-15]。各種基于三端口結(jié)構(gòu)的高增益DC/DC變換器在近些年也被廣泛研究。文獻[9]中提到了串聯(lián)結(jié)構(gòu)的三端口高增益比DC/DC變換器，低壓側(cè)采用Buck/Boost電路，高壓側(cè)采用半橋電路，端口串聯(lián)輸出實現(xiàn)高增益；文獻[10]在此基礎(chǔ)上做了改進，低壓側(cè)采用Buck/Boost電路，高壓側(cè)則采用雙有源半橋電路，同樣將兩端口的輸出電壓串聯(lián)實現(xiàn)高增益。這些電路在實現(xiàn)高增益的同時也實現(xiàn)了高效率，但是輸入側(cè)電流應(yīng)力較大，增加了一部分損耗?；谏鲜鲅芯?，采用兩路交錯并聯(lián)Buck/Boost電路+移相全橋的高增益DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，通過端口串聯(lián)輸出實現(xiàn)變換器的高增益，這樣低壓側(cè)的器件應(yīng)力隨之減小，效率進一步提高，但是，已有的研究中很少涉及高增益三端口DC/DC變換器與DC/AC變換器的組合結(jié)構(gòu)及其協(xié)同運行。前級DC/DC變換器做三端口變換器運行可以使DC/DC變換器高壓側(cè)的應(yīng)力和損耗減??；與此同時需要將后級全橋DC/AC變換器替換為雙直流端口DC/AC變換器，雙直流端口DC/AC變換器的2個直流端口在1個工頻周期內(nèi)交替工作，橋臂中點電壓為五電平，減小了器件應(yīng)力和濾波器體積。

綜上所述，本文研究了一種組合式高增益雙向交直流變換器，基于交流側(cè)電壓周期性波動的特點，利用三端口雙向DC/DC變換器同時提供高壓母線端口和低壓母線端口，使得部分功率僅需經(jīng)過低電壓增益直流變換環(huán)節(jié)處理，為高增益高效率雙向交直流變換提供了有利條件。

1 高增益組合式交直流變換器的架構(gòu)及工作原理

1.1 電路拓撲

圖1所示為改進后的高增益組合式交直流變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。其前級為三端口雙向DC/DC變換器，共有 3個端口：直流輸入/輸出端口（Vin）、高壓直流母線端口（VH）和低壓母線端口（VL）。變換器由開關(guān)管S1～S8、由低壓側(cè)繞組NP和高壓側(cè)繞組NS組成的變壓器、2個升壓電感Lb1和Lb2和能量傳輸電感Lf組成，低壓側(cè)為交錯并聯(lián)雙向Buck/Boost電路，高壓側(cè)是全橋電路；后級為雙直流端口DC/AC變換器，共有2個直流端口：低壓端口（VL）和高壓端口（VH），分別與前級低壓母線端口和高壓直流母線相連，當?shù)蛪耗妇€電壓小于電網(wǎng)電壓時，高低壓端口交替和電網(wǎng)側(cè)交換能量；當?shù)蛪耗妇€電壓大于電網(wǎng)電壓時，低壓端口單獨和交流側(cè)交換功率。

1.2 三端口雙向DC/DC變換器工作原理

在雙直流端口工作模式下，雖然部分功率只經(jīng)過低壓側(cè)處理，但是三端口雙向DC/DC變換器的工作模態(tài)與傳統(tǒng)工作模式保持一致。開關(guān)管S1和S3的占空比同為D。開關(guān)管S1和S2互補導(dǎo)通，S3和S4互補導(dǎo)通，且 S1與 S3、S2與 S4移相 180°導(dǎo)通。 高壓側(cè)開關(guān)管S5和S8同時開通，S6和S7同時開通，占空比均為0.5，S5和S8及S6和S7互補。通過調(diào)節(jié)高壓側(cè)橋臂中點電壓vCE和低壓側(cè)橋臂中點電壓vAB的基波之間的移相角φ來調(diào)節(jié)高壓母線端和蓄電池端的電壓，通過調(diào)節(jié)占空比D來調(diào)節(jié)低壓母線端電壓。輕載時刻高壓側(cè)開關(guān)管S5和S8在S4導(dǎo)通之前開通，重載時刻S5和S8在S4導(dǎo)通之后開通。合理設(shè)計變壓器的變比n，實現(xiàn)電感兩端電壓在能量主要傳輸階段為0，變壓器繞組電流有效值減小，低壓母線電壓和高壓母線電壓需要滿足（n+1）VL=VH。根據(jù)功率流向，前級的工作模式分為升壓模式或者降壓模式，升壓模式與降壓模式的模態(tài)類似，因此以升壓模式為例進行分析。DC/DC變換器升壓模式額定工作點的開關(guān)波形如圖2所示。

模態(tài) 1[t0～t1]：根據(jù)圖 2，t0時刻之前，開關(guān)管 S2、S3和 S6、S7導(dǎo)通，高壓側(cè)電感電流＜0。 此模態(tài)下的表達式為

模態(tài) 2[t1～t2]：t1時刻，在正電壓 nVL作用下線性上升。

模態(tài) 3[t2～t3]：在 t2時刻，開關(guān)管 S3關(guān)斷，低壓側(cè)續(xù)流開關(guān)管S4可以實現(xiàn)零電壓開通ZVS（zero voltage switching）。此模態(tài)下的表達式為

模態(tài) 4[t3～t4]：在 t3時刻，開關(guān)管 S4實現(xiàn) ZVS。在2nVL作用下線性地由負變正。

模態(tài) 5[t4～t5]：在 t4時刻，開關(guān)管 S6、S7關(guān)斷。 通過PWM控制，此模態(tài)下高壓側(cè)電感電壓為0的斜率保持恒定。此模態(tài)下的表達式為

開關(guān)模態(tài) 6[t5～t6]：在 t5時刻，始終不變，保證了在主要的功率傳輸階段，電感電流有效值最小。

下一個半周期的工作情況與上述分析類似，這里不再贅述。

根據(jù)變換器的工作模態(tài)，可以分析前級三端口雙向DC/DC變換器的工作特性。假設(shè)變換器的開關(guān)頻率為fs，高壓側(cè)的移相角為φ，變換器進入穩(wěn)態(tài)工作以后，變換器的增益為

定義基準量為

前級三端口雙向DC/DC變換器高壓母線的輸出功率可以分為2部分：一部分是變壓器傳遞的能量，另一部分是交錯Buck/Boost電路直接向高壓母線傳遞的能量，功率傳輸路徑如圖3所示。其輸出功率的表達式為

通過計算變壓器傳遞的功率，最后得到前級三端口雙向DC/DC變換器總輸出功率，即

1.3 雙直流端口DC/AC變換器工作原理

前級三端口雙向DC/DC變換器給后級提供了2個直流母線端口，后級電路可以簡化為如圖4所示。低壓母線端口單獨工作時，功率不經(jīng)過高電壓增益變換環(huán)節(jié)處理，變換器效率最優(yōu)，但由于低壓母線在1個工頻周期內(nèi)不能時刻滿足后級DC/AC變換器工作條件，高壓母線端口會在低壓母線端口小于電網(wǎng)電壓時參與工作。以正半周為例進行分析，雙直流端口DC/AC變換器工作模式如圖4所示。

單端口工作模式：當 VL＞|vAC（t）|時，開關(guān)管 Sl1和S12常通，Sl2和S10互補導(dǎo)通，低壓端口單獨和交流側(cè)交換功率，如圖4（a）所示。

雙端口工作模式：當 VL＞|vAC（t）|時，開關(guān)管 Sl2和S12常通，S9和Sl1互補導(dǎo)通，高低壓端口交替和交流側(cè)交換功率，如圖4（b）所示。

為了實現(xiàn)上述2種工作模式，雙直流端口DC/AC變換器采用載波層疊的調(diào)制方法，如圖5所示。當誤差放大器輸出電壓vref與下三角載波交接時，后級變換器工作在單端口模式；當誤差放大器輸出電壓vref與上三角載波交接時，后級DC/AC變換器工作在雙端口模式。

1.4 系統(tǒng)控制策略

高增益組合式交直流變換器前后級均采用獨立控制的方式，這與傳統(tǒng)的兩級式DC/AC變換器類似，具體的控制框圖如圖6所示。前級三端口雙向DC/DC變換器采用PWM+移相控制策略，低壓母線的電壓以及高壓直流端口電壓分別通過PI進行控制，采樣低壓母線電壓，將基準電壓與實際的低壓母線電壓作差，通過PI調(diào)節(jié)器，輸出控制原邊開關(guān)管的占空比D。采樣高壓輸出端口電壓，將高壓母線基準值與實際的高壓側(cè)輸出電壓作差，通過PI調(diào)節(jié)器輸出控制低壓側(cè)開關(guān)管的移相角φ。后級雙直流端口DC/AC變換器通過電流環(huán)控制電網(wǎng)電流，采樣電網(wǎng)側(cè)電流，將電流環(huán)基準與實際電流作差，PI調(diào)節(jié)器輸出值控制誤差放大器輸出電壓vref。

2 功率傳輸特性

2.1 雙直流端口DC/AC變換器的功率傳輸特性

根據(jù)雙直流端口DC/AC變換器的工作原理，以正半周為例，開關(guān)管S9導(dǎo)通時，高壓端口工作，S9關(guān)斷時，低壓端口工作。假設(shè)1個開關(guān)周期內(nèi)由VH和VL提供的功率平均值分別為dS9pH和（1-dS9）pL，其中dS9為開關(guān)管S9的占空比，pH和pL分別為高壓端口和低壓端口傳輸功率瞬時值，ω為交流側(cè)電壓的頻率。由于工頻周期遠大于開關(guān)周期，所以工頻周期內(nèi)的瞬時值可以由開關(guān)周期的平均值代替。對VL輸出功率進行標幺化，則在半個工頻周期內(nèi)輸出功率為

根據(jù)式（9），可以得到半個工頻周期內(nèi)低壓端口提供功率所占的比例為

由于前級三端口雙向DC/DC變換器的低壓母線電壓為給定值，可知低壓母線電壓傳遞到后級的功率為定值。

2.2 組合工作模式下DC/DC變換器功率傳輸特性

基于上述的分析，在雙直流端口工作模式下，前級三端口雙向DC/DC變換器的低壓母線VL分配到后級的功率為定值PL，高壓母線電壓分配的功率為定值PH。因此，前級三端口雙向DC/DC變換器總輸出功率調(diào)整為

圖7為前級三端口雙向DC/DC變換器在傳統(tǒng)單直流端口工作模式以及雙直流端口工作模式下標么化總功率傳輸曲線對比，虛線框內(nèi)為正常工作的移相角區(qū)域。在輸出總功率相同的情況下，相較于傳統(tǒng)工作模式，雙直流端口工作模式的移相角更小，部分功率直接經(jīng)過交錯Buck/Boost電路處理，變壓器傳遞的功率更小。

3 實驗結(jié)果

為了驗證分析的準確性，研制了1臺高增益組合式交直流變換器樣機，如圖8所示。實驗參數(shù)如表1所示。

表1 實驗樣機關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of experimental prototype

圖9為前級三端口雙向DC/DC變換器在輸入40 V和輸入60 V情況下額定工作點各關(guān)鍵電壓實驗波形。圖中，vGS1表示開關(guān)管S1的驅(qū)動電壓波形，vAB是變壓器原邊橋臂中點電壓，vCE是變壓器副邊橋臂中點電壓，表示流經(jīng)能量傳輸電感的電流?？梢钥闯龈边厴虮壑悬c電壓的基波vAB滯后原邊橋臂中點電壓vCE的基波，能量傳輸電感的電流波形和理論分析保持一致。

圖10為變換器組合工作時雙直流端口DC/AC變換器穩(wěn)態(tài)波形。圖中，vab表示后級雙直流端口DC/AC變換器的橋臂中點電壓。圖10（b）中，VGSl2和VGS9表示正半周2個主要高頻開關(guān)管的驅(qū)動波形。當 VL＞|vAC（t）|時，開關(guān)管 Sl2高頻開關(guān)，低壓端口單獨和交流側(cè)交換功率。 當 VL＞|vAC（t）|時，開關(guān)管 S9高頻開關(guān)，高低壓端口交替和交流側(cè)交換功率。2個直流端口VH和VL電壓在穩(wěn)態(tài)工作時保持穩(wěn)定。

對高增益組合式交直流變換器進行了效率測試，效率曲線如圖11所示。在Vin=50 V的情況下，變換器在輕載時的效率相對較低，但在半載以上其效率超過94%，最高達到95.5%。效率測試結(jié)果驗證了研究方案的高效性。

4 結(jié)語

針對儲能系統(tǒng)中蓄電池電壓較低的場合，提出了一種基于三端口雙向DC/DC的高增益組合式交直流變換器。利用前級三端口雙向DC/DC提供的2個直流端口以及1個工頻周期內(nèi)電網(wǎng)電壓的波動性特點，部分功率只需經(jīng)過前級低壓變換環(huán)節(jié)處理，提升了變換器的組合工作效率。其前級三端口雙向DC/DC變換器采用交錯并聯(lián)Buck/Boost電路+變壓器的結(jié)構(gòu)，通過PWM+移相的控制策略穩(wěn)定2個直流端口的電壓；后級為基于載波層疊調(diào)制的雙直流端口DC/AC變換器，詳細分析了前后級電路的工作原理以及功率傳輸特性。最后，設(shè)計了1臺1 kW原理樣機，實驗結(jié)果驗證了理論分析的正確性。