楊曉輝，程 紅，于慶廣

（1.中國礦業(yè)大學（北京）機電學院，北京100083；2.清華大學電機系，北京100084）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)技術的發(fā)展，兆瓦級以上大容量儲能技術受到越來越多的關注［1－2］。能量傳輸系統(tǒng)（PCS）是儲能介質(zhì)與電網(wǎng)的接口，能量通過PCS實現(xiàn)在儲能介質(zhì)和電網(wǎng)之間的雙向流動。大容量儲能系統(tǒng)的PCS有兩種常見的結(jié)構(gòu)［3］。一種是由雙向脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流逆變器構(gòu)成的僅含DC／AC環(huán)節(jié)的PCS。該拓撲結(jié)構(gòu)簡單、能耗較低，但是儲能介質(zhì)的端電壓限制了交流側(cè)電壓水平，無法實現(xiàn)儲能系統(tǒng)容量的靈活配置。若電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障會在PCS直流母線上產(chǎn)生短時大電流，會對儲能系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。另一種是包含DC／DC和DC／AC環(huán)節(jié)的PCS。該拓撲結(jié)構(gòu)的DC／DC環(huán)節(jié)可以控制直流電壓的升降，實現(xiàn)儲能介質(zhì)端電壓與DC／AC環(huán)節(jié)直流母線電壓匹配。儲能系統(tǒng)容量的不斷增大，母線電壓也越來越高，這就對PCS中直接與儲能介質(zhì)相連的DC／DC環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

本文提出了一種適用于大容量儲能系統(tǒng)的隔離型雙向DC／DC變換器。其以半橋三電平結(jié)構(gòu)為基礎，并與后級雙向DC／AC變換器一同構(gòu)成高頻鏈式PCS。本文對該變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)、工作原理和器件電壓應力等進行分析，詳細闡述了該變換器在單移相調(diào)制策略下的工作特性。

1 主電路的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理

高頻隔離雙半橋三電平雙向DC／DC變換器由兩個半橋三電平結(jié)構(gòu)單元對稱的連接于高頻變壓器一、二次側(cè)構(gòu)成，含有兩個功率變換級。其中，一次側(cè)單元與大容量的儲能介質(zhì)相連，二次側(cè)單元與DC／AC環(huán)節(jié)直流母線側(cè)相連。其主電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高頻隔離雙半橋三電平雙向DC／DC變換器的主電路拓撲結(jié)構(gòu)

變壓器一次側(cè)的結(jié)構(gòu)單元由帶有反并聯(lián)二極管和電容的開關管S1、S2、S3、S4，續(xù)流二極管D1、D2，分壓電容C1、C2和飛跨電容C3組成。其中，分壓電容C1、C2為大容量等值電容，其電壓為輸入電壓的一半。飛跨電容C3起到平衡C1、C2上電壓，同時解耦開關管S1、S4和S2、S3開關過程的作用。D1、D2起到均衡開關管所受電壓應力的作用，電感L起到能量傳輸和存儲的作用。根據(jù)功率流傳輸方向的不同，該變換器工作狀態(tài)分為兩種：當功率由儲能介質(zhì)流向電網(wǎng)側(cè)，即U1→U2時，稱為正向功率流狀態(tài)；反之稱為反向功率流狀態(tài)。

將電路中的U2側(cè)折合到U1側(cè)，變壓器取T型等效電路，忽略勵磁回路影響，可以得到移相控制的隔離雙向DC／DC變換器的等效電路如圖2所示。

圖2中，L′為變壓器等效漏感與串聯(lián)電感的等效電感。通過控制開關管S1～S8的開關信號可在等效電感L′兩側(cè)得到占空比為50%的方波電壓UAB、UCD。兩幅值分別為U1／2和U2／2。通過控制UAB、UCD的相角就可以達到控制功率大小和流向的目的。

圖2 隔離雙向DC／DC變換器等效電路

開關管的總器件應力（TDR）是決定電路拓撲適用于何種電壓等級的重要指標。在輸出功率Po＝UI的情況下，就以常見的H橋拓撲與半橋三電平拓撲相比較，如圖3所示。

圖3 全橋拓撲與半橋三電平拓撲的對比

在H橋拓撲中每個開關管所承受的電壓應力等于輸入電壓，電流應力等于負載電流I，其TDR＝4UI／Po＝4。半橋三電平拓撲采用大電壓、小電流傳輸方式，每個開關管承受的電壓應力為輸入電壓2U的一半（輸入電壓為2U時，輸出功率達到Po），電流應力為的負載電流I，其TDR＝4UI／Po＝4。

由此可知，在輸入電壓U相同時，開關管承受的電壓應力，半橋三電平拓撲比H橋拓撲小一半。當傳輸功率Po相同時，半橋三電平拓撲采用大電壓、小電流方式傳輸方式，兩者電壓應力相等。因此，半橋三電平拓撲適用于大容量儲能系統(tǒng)高電壓大功率輸入輸出場合。

2 單移相調(diào)制下的工作特性

2.1 單移相調(diào)制下的工作波形

在單移相調(diào)制策略下，變換器的每個半橋三電平橋臂中，所有開關管的驅(qū)動脈沖的占空比均為50%，且上半橋臂的兩個開關管和下半橋臂的兩個開關管的驅(qū)動脈沖互補。由于變壓器兩側(cè)半橋開關管的驅(qū)動脈沖存在移相，由此得到的兩側(cè)橋臂的輸出電壓也存在移相。變換器達到穩(wěn)定正向功率流狀態(tài)和反向功率流狀態(tài)時的工作波形如圖4所示。

圖4 變換器工作于正反相功率流模式時的理想波形

2.2 功率特性分析

φ為變壓器一二次側(cè)橋臂輸出電壓UAB與UCD之間的移相角，電感電流iL為一個關于ωt的函數(shù)，ω為開關角頻率。在一個開關周期內(nèi)將iL的波形分為4段，分別如下：

在一個開關周期內(nèi)，iL（2π）＝iL（0），可得：

當α＝π時，根據(jù)正負半周的對稱性可知I（0）＝－I（π），可得：

據(jù)以上可知，系統(tǒng)傳遞的功率為：

由式（5）可知，當0＜φ≤π時，P＞0，功率流正向傳輸；當－π＜φ≤0時，P＜0，功率反向傳輸；當φ＝π／2時，變換器傳輸?shù)恼蚬β柿鬟_到最大值Pmax；當φ＝－π／2時，變換器傳輸?shù)姆聪蚬β柿鬟_到負的最大值Pmin。

2.3 軟開關條件

由于開關管工作在高頻狀態(tài)下會產(chǎn)生極大的開關損耗，所以開關管必須工作在軟開關條件下。變換器采用零電壓（ZVS）導通關斷，以正向功率流狀態(tài)為例，需滿足以下條件：電感電流iL在開關管S1導通時為負，在開關管S5導通時為正，即在0°和φ之間，電感電流iL過零［4］。其他開關管開關情況類似。由此可知變壓器一次側(cè)半橋三電平橋臂實現(xiàn)軟開關的條件為：

變壓器二次側(cè)半橋三電平橋臂實現(xiàn)軟開關的條件為：

若讓變換器的所有開關管都能工作在軟開關條件下，φ需同時滿足式（6）和式（7）。由以上可知：當nUCD／UAB＝1時，變換器一二次側(cè)的開關管在全載范圍內(nèi)能實現(xiàn)ZVS；當nUCD／UAB＜1時，正向功率流狀態(tài)下變壓器二次側(cè)實現(xiàn)ZVS的范圍減小，并隨著其值的增大，實現(xiàn)ZVS的范圍越來越??；當nUCD／UAB＞1時，正向功率流狀態(tài)下變壓器一次側(cè)實現(xiàn)ZVS的范圍減小，并隨著其值的增大，實現(xiàn)ZVS的范圍越來越小。反向傳輸模式與之相反。

3 控制系統(tǒng)設計

閉環(huán)控制系統(tǒng)是變換器設計的核心部分。采用電流型控制模式［5］實現(xiàn)雙閉環(huán)控制，控制量d（s）與輸出電壓、電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)如圖5所示。圖5中，Gur（s）為電壓環(huán)控制器；Gir（s）為電流環(huán)控制器；e－Ts為由系統(tǒng)采樣、計算等引起的延遲；Gud（s）為輸出電壓對移相角的傳遞函數(shù)。

為方便地對系統(tǒng)進行狀態(tài)反饋校正，電壓環(huán)和電流環(huán)的控制器Gur（s）和Gir（s）均采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)。當負載電壓反饋值Uf小于電壓環(huán)給定值Ur時，即Uf＜Ur時，內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定值Ir＞0，在內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制下電感電流If跟隨電流給定，此時儲能介質(zhì)發(fā)出功率，變換器處于正向功率流狀態(tài)。反之，當Uf＞Ur時，有Ir＜0，If＜0，此時儲能介質(zhì)吸收能量，變換器工作在反向功率流狀態(tài)。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

4 仿真研究

設定雙半橋三電平雙向DC／DC變換器主要器件參數(shù)為U1＝1000 V，U2＝800 V，L＝45μF，f＝100 k Hz。在MATLAB simulink環(huán)境下進行仿真，變換器一二側(cè)橋臂輸出的電壓UAB、UCD，電感電流IL，電感電壓UL以及輸出電壓U2如圖6所示。

圖6 變換器在單移相調(diào)制策略下的仿真圖

由圖6中可看出，當輸入電壓U1＝1000 V時，一二側(cè)橋臂輸出的方波電壓UAB、UCD幅值均為500 V；開關管承受的最大電壓Umax＝500 V，為輸入電壓U1的一半。因為電感值較大，電感電流IL波形接近正弦波，電感電壓UL有三個電平。輸出電壓U2在0.04 s達到穩(wěn)定狀態(tài)，并嚴格控制在800 V。

5 結(jié)語

本文設計了一種適用于大容量儲能系統(tǒng)的三電平隔離雙向DC／DC變換器，通過對變換器在一個周期內(nèi)的理想波形進行分析，說明了雙半橋三電平對稱結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)能量雙向流動的條件和達到最大傳輸功率的最值條件，并給出了開關管工作在軟開關條件的約束條件。

通過仿真證明，開關管承受的電壓僅為輸入電壓的一半，且輸出電壓穩(wěn)定性良好。該變換器為大電壓大功率的PCS提供了一個很好的解決方案。

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