儲能系統(tǒng)中三電平圖騰柱AC-DC變換器的研究

敬 成，王 袁，徐 兵

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2. 上海電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，上海 200090；3.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽 110179)

以光伏(photovoltaic，PV)、風(fēng)電、電動汽車(electric vehicle，EV)為代表的新能源行業(yè)對“雙碳”實現(xiàn)起強大推進作用[1-4]。但大量新能源發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，限制了新能源發(fā)展，因此為保證電能質(zhì)量儲能系統(tǒng)孕育而生[5-8]。

圖1為常用的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，由AC-DC變換器和DC-DC變換器組成。其中，AC-DC變換器作為儲能系統(tǒng)核心部分，國內(nèi)外學(xué)者對其進行了大量研究[9-12]。在眾多AC-DC變換器中，多電平變換器具有諧波含量少、電壓電流應(yīng)力小、功率密度及效率高等優(yōu)勢，正逐步取代兩電平變換器[13-15]。

文獻[16-18]從控制和拓撲結(jié)構(gòu)方面對三電平電路開展研究。文獻[16]采用傳統(tǒng)三電平AC-DC變換器對模型預(yù)測控制改進，解決了低頻控制精度差的問題，但電路拓撲采用大量開關(guān)器件，電路成本及損耗較高。文獻[17]中拓撲一定程度上減少了開關(guān)管數(shù)目，并且電路能實現(xiàn)雙向功率流動，但電路在器件總數(shù)上還能進一步優(yōu)化。文獻[18]提出了一種T型三電平變換器，該變換器在開關(guān)管數(shù)目與文獻[17]一致的情況下，減少了2個二極管的使用，電路成本上得到控制，但缺少拓撲推衍過程。

圖1 儲能系統(tǒng)常用結(jié)構(gòu)

基于上述分析，在三電平橋臂變形后對各個器件重新連接，推衍出新型三電平橋臂。將所推橋臂與兩電平圖騰柱無橋電路級聯(lián)，提出一族新型三電平電路。所提電路結(jié)合無橋電路和三電平電路優(yōu)勢，且成本較低，能應(yīng)用于儲能系統(tǒng)。同時，此類方法在對兩電平電路優(yōu)化為三電平電路以及三電平電路本身的優(yōu)化具有通用性，應(yīng)用場景較廣。

1 拓撲推衍及原理分析

1.1 拓撲推衍

本文以T型三電平拓撲為基礎(chǔ)，對T型三電平橋臂變形，推衍出新型三電平橋臂。圖2為2種常用T型三電平橋臂，圖2(a)通常用于功率單向流動場景中，圖2(b)通常用于功率雙向流動場景中。

基于圖2所示2種常用T型三電平橋臂，推衍出新型三電平橋臂，如圖3所示。為便于分析，在橋臂下方編號，如A1、A2。如圖3(a)，在A1上2個二極管支路上串聯(lián)開關(guān)管，得到A2*，去除A2*上開關(guān)管S2、S3后用實線重新連接，得到A2。同理，將B1的2個開關(guān)管支路串聯(lián)開關(guān)管得到B2*，再去掉冗余開關(guān)管后重新連接得到B2。

(a)單向三電平橋臂

(a)單向三電平橋臂

基于上述橋臂變換，將新橋臂A2、B2與圖騰柱橋臂級聯(lián)，提出一族三電平圖騰柱AC-DC變換器，如圖4所示。按照功率流動特點，圖4(a)所示電路命名為單向三電平圖騰柱AC-DC變換器(unidirectional three-level totem-pole AC-DC converter，UTPC)，圖4(b)所示電路命名為雙向三電平圖騰柱AC-DC變換器(bidirectional three-level totem-pole AC-DC converter，BTPC)。

1.2 原理分析

為驗證所提一族三電平圖騰柱AC-DC變換器有效性，本文以UTPC為例進行工作原理分析。1個周期內(nèi)，UTPC有6種工作模式，如圖5所示。為便于分析，假定電感L足夠大，變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(continuous conduction mode，CCM)；電容C1、C2大小相等，直流電壓Udc恒定。

(a)單向三電平圖騰柱AC-DC變換器

模式1：電網(wǎng)電壓ug>0，a節(jié)點與b節(jié)點間電壓uab=0。S2、D2導(dǎo)通，電容C1、C2向負載放電，如圖5(a)所示。

模式2：ug>0，uab=0.5Udc。S3導(dǎo)通，S1、S4體二極管導(dǎo)通，C1充電、C2向負載放電，如圖5(b)所示。

模式3：ug>0，uab=Udc。S1體二極管導(dǎo)通，D2導(dǎo)通，C1、C2充電，交流電源直接向負載供電，如圖5(c)所示。

模式4：ug<0，uab=0。S1、S3、D1導(dǎo)通，C1、C2向負載放電，如圖5(d)所示。

模式5：ug<0，uab=-0.5Udc。S4導(dǎo)通，S2、S3體二極管導(dǎo)通，C2充電、C1向負載放電，如圖5(e)所示。

模式6：ug<0，uab=Udc。S2、S3體二極管導(dǎo)通， D1導(dǎo)通，C1、C2充電，交流電源直接向負載供電，如圖5(f)所示。

基于上述分析，表1總結(jié)出UTPC的開關(guān)狀態(tài)表，表中“0”、“1”分別表示開關(guān)管開與關(guān)，“↑”表示電容充電，“↓”表示電容放電。

表1 UTPC開關(guān)狀態(tài)表

1.3 現(xiàn)有拓撲對比

表2為本文提出拓撲與現(xiàn)有多電平拓撲有源器件數(shù)目對比。對比可知，UTPC使用開關(guān)管最少，便于實現(xiàn)控制和調(diào)制。文獻[18]中拓撲與BTPC均能實現(xiàn)功率雙向流動，且器件使用相對最少。因此，本文所提拓撲在成本和效率上具有一定優(yōu)勢。

表2 所提拓撲與現(xiàn)有拓撲有源器件數(shù)目對比

2 控制與調(diào)制方案

將參考信號vref(控制輸出電壓)與載波信號比較，得到UTPC開關(guān)脈沖信號，如圖6下半部分所示。在正半周期，當(dāng)0<0.5vref< 1時，電路在模式3與2間交替工作；當(dāng)0

基于上述調(diào)制分析，結(jié)合6種工作模式，根據(jù)式(1)—(6)可表示出該調(diào)制下正半周期占空比表達式，式中Ug,max為電網(wǎng)電壓幅值，Ton、Toff分別為開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時間。

圖6 控制與調(diào)制方案

定義調(diào)制比M為

M=Ug,max/Udc

(1)

占空比Q為

Q=Ton/(Ton+Toff)

(2)

ug·Ton=(0.5Udc-ug)·Toff

(3)

(ug-0.5Udc)·Ton=(Udc-ug)·Toff

(4)

將式(3)、(4)分別代入式(1)、(2)得2種情況下占空比Q1、Q2為

Q1=1-2Msin(wt)

(5)

Q2=1-2Msin(wt)

(6)

3 性能分析

3.1 電壓應(yīng)力分析

由1.3節(jié)幾種拓撲對比可知，文獻[18]與本文所提拓撲器件數(shù)目類似，故對文獻[18]中拓撲與本文所提拓撲進一步對比電壓應(yīng)力?；趫D5所示工作模式分析，總結(jié)出3種電路電壓應(yīng)力，如表3所示。由表3可知，文獻[18]中拓撲只有2個器件電壓應(yīng)力減半，而本文提出2種拓撲均有3個器件電壓應(yīng)力減半，即本文提出電路在成本上更具優(yōu)勢。

表3 3種電路最大電壓應(yīng)力對比

3.2 電流應(yīng)力分析

為了估計器件損耗，需要計算流過器件電流平均值和有效值。本文以UTPC為例，對其有源器件電流應(yīng)力分析。圖7為UTPC在Matlab/Simulink環(huán)境下電流應(yīng)力仿真波形，結(jié)合電路工作模式和調(diào)制分析，各器件電流應(yīng)力可由式(7)—(16)表示。其中僅二極管D1、D2電流應(yīng)力給出計算過程，其余器件與之類似，故不再詳細推導(dǎo)。

二極管D1、D2電流有效值為

(7)

圖7 UTPC電流應(yīng)力仿真波形

將式(5)、(6)代入式(7)，得：

(8)

二極管D1、D2電流平均值為

(9)

將式(5)、(6)代入式(9)，得：

(10)

開關(guān)管S1、S2電流有效值為

(11)

開關(guān)管S1、S2電流平均值為

(12)

開關(guān)管S3電流有效值為

(13)

開關(guān)管S3電流平均值為

(14)

開關(guān)管S4電流有效值為

(15)

開關(guān)管S4電流平均值為

(16)

表4為UTPC中有源器件在功率等級為1 kW時電流應(yīng)力計算值與仿真值對比。其中，計算值取Ig,max=6.75 A。由表4可知，UTPC中有源器件電流應(yīng)力計算值與仿真值結(jié)果誤差均不超過5%，驗證了上述公式的正確性。

表4 電流應(yīng)力計算值與仿真值對比

4 仿真分析

搭建UTPC的Matlab/Simulink仿真模型，仿真參數(shù)如表5所示。

表5 仿真參數(shù)

圖8為輸入及輸出側(cè)波形，圖8(a)為交流側(cè)輸入波形，電流ig與電壓ug同相位，且曲線光滑；橋臂電壓uab有5個階梯，符合三電平電路特點。圖8(b)為直流側(cè)輸出波形，2個電容電壓均在200 V上下波動，電容電壓動態(tài)平衡；直流輸出波形恒定，達到預(yù)期效果。

(a)交流電壓電流及橋臂電壓uab波形

(b)直流電容電壓及直流輸出電壓波形

圖9 開關(guān)脈沖分配波形

圖9為UTPC開關(guān)脈沖波形，與圖5和圖6理論分析吻合。圖10為有源器件電壓應(yīng)力波形，與表3最大電壓應(yīng)力一致。

圖10 有源器件電壓應(yīng)力波形

5 結(jié)語

本文基于T型三電平橋臂，推衍出一族新型三電平AC-DC變換器。從原理分析、控制與調(diào)制策略和性能分析方面，對本文提出電路進行理論分析。由分析可知，UTPC適用于單向功率流動場景，相對于其他三電平拓撲開關(guān)器件較少，成本最低；BTPC 適用于雙向功率流動場景在雙向AC-DC變換器中電路成本也具備一定優(yōu)勢。最后，通過仿真分析，證實了所提電路良好的穩(wěn)態(tài)性能，在儲能系統(tǒng)、電動汽車充電系統(tǒng)中具有一定應(yīng)用價值。