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(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090；3.遼寧東科電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179)

以光伏(photovoltaic，PV)、風(fēng)電、電動(dòng)汽車(chē)(electric vehicle，EV)為代表的新能源行業(yè)對(duì)“雙碳”實(shí)現(xiàn)起強(qiáng)大推進(jìn)作用[1-4]。但大量新能源發(fā)電并網(wǎng)對(duì)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?jī)?chǔ)能系統(tǒng)孕育而生[5-8]。

圖1為常用的儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)核心部分，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其進(jìn)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(shì)，正逐步取代兩電平變換器[13-15]。

文獻(xiàn)[16-18]從控制和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面對(duì)三電平電路開(kāi)展研究。文獻(xiàn)[16]采用傳統(tǒng)三電平AC-DC變換器對(duì)模型預(yù)測(cè)控制改進(jìn)，解決了低頻控制精度差的問(wèn)題，但電路拓?fù)洳捎么罅块_(kāi)關(guān)器件，電路成本及損耗較高。文獻(xiàn)[17]中拓?fù)湟欢ǔ潭壬蠝p少了開(kāi)關(guān)管數(shù)目，并且電路能實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)，但電路在器件總數(shù)上還能進(jìn)一步優(yōu)化。文獻(xiàn)[18]提出了一種T型三電平變換器，該變換器在開(kāi)關(guān)管數(shù)目與文獻(xiàn)[17]一致的情況下，減少了2個(gè)二極管的使用，電路成本上得到控制，但缺少拓?fù)渫蒲苓^(guò)程。

圖1 儲(chǔ)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(duì)各個(gè)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(wú)橋電路級(jí)聯(lián)，提出一族新型三電平電路。所提電路結(jié)合無(wú)橋電路和三電平電路優(yōu)勢(shì)，且成本較低，能應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)。同時(shí)，此類(lèi)方法在對(duì)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(chǎng)景較廣。

1 拓?fù)渫蒲芗霸矸治?/h2>

1.1 拓?fù)渫蒲?/h3>

本文以T型三電平拓?fù)錇榛A(chǔ)，對(duì)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(dòng)場(chǎng)景中，圖2(b)通常用于功率雙向流動(dòng)場(chǎng)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(hào)，如A1、A2。如圖3(a)，在A1上2個(gè)二極管支路上串聯(lián)開(kāi)關(guān)管，得到A2*，去除A2*上開(kāi)關(guān)管S2、S3后用實(shí)線重新連接，得到A2。同理，將B1的2個(gè)開(kāi)關(guān)管支路串聯(lián)開(kāi)關(guān)管得到B2*，再去掉冗余開(kāi)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(jí)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(dòng)特點(diǎn)，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(yàn)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(jìn)行工作原理分析。1個(gè)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(diǎn)與b節(jié)點(diǎn)間電壓uab=0。S2、D2導(dǎo)通，電容C1、C2向負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)載供電，如圖5(f)所示。

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

表1 UTPC開(kāi)關(guān)狀態(tài)表

1.3 現(xiàn)有拓?fù)鋵?duì)比

表2為本文提出拓?fù)渑c現(xiàn)有多電平拓?fù)溆性雌骷?shù)目對(duì)比。對(duì)比可知，UTPC使用開(kāi)關(guān)管最少，便于實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)制。文獻(xiàn)[18]中拓?fù)渑cBTPC均能實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，且器件使用相對(duì)最少。因此，本文所提拓?fù)湓诔杀竞托噬暇哂幸欢▋?yōu)勢(shì)。

表2 所提拓?fù)渑c現(xiàn)有拓?fù)溆性雌骷?shù)目對(duì)比

2 控制與調(diào)制方案

將參考信號(hào)vref(控制輸出電壓)與載波信號(hào)比較，得到UTPC開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)，如圖6下半部分所示。在正半周期，當(dāng)0<0.5vref< 1時(shí)，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(dá)式，式中Ug,max為電網(wǎng)電壓幅值，Ton、Toff分別為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)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?fù)鋵?duì)比可知，文獻(xiàn)[18]與本文所提拓?fù)淦骷?shù)目類(lèi)似，故對(duì)文獻(xiàn)[18]中拓?fù)渑c本文所提拓?fù)溥M(jìn)一步對(duì)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(xiàn)[18]中拓?fù)渲挥?個(gè)器件電壓應(yīng)力減半，而本文提出2種拓?fù)渚?個(gè)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(shì)。

表3 3種電路最大電壓應(yīng)力對(duì)比

3.2 電流應(yīng)力分析

為了估計(jì)器件損耗，需要計(jì)算流過(guò)器件電流平均值和有效值。本文以UTPC為例，對(duì)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(jì)算過(guò)程，其余器件與之類(lèi)似，故不再詳細(xì)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(kāi)關(guān)管S1、S2電流有效值為

(11)

開(kāi)關(guān)管S1、S2電流平均值為

(12)

開(kāi)關(guān)管S3電流有效值為

(13)

開(kāi)關(guān)管S3電流平均值為

(14)

開(kāi)關(guān)管S4電流有效值為

(15)

開(kāi)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(jí)為1 kW時(shí)電流應(yīng)力計(jì)算值與仿真值對(duì)比。其中，計(jì)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(jì)算值與仿真值結(jié)果誤差均不超過(guò)5%，驗(yàn)證了上述公式的正確性。

表4 電流應(yīng)力計(jì)算值與仿真值對(duì)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(gè)階梯，符合三電平電路特點(diǎn)。圖8(b)為直流側(cè)輸出波形，2個(gè)電容電壓均在200 V上下波動(dòng)，電容電壓動(dòng)態(tài)平衡；直流輸出波形恒定，達(dá)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(kāi)關(guān)脈沖分配波形

圖9為UTPC開(kāi)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(yǔ)

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(duì)本文提出電路進(jìn)行理論分析。由分析可知，UTPC適用于單向功率流動(dòng)場(chǎng)景，相對(duì)于其他三電平拓?fù)溟_(kāi)關(guān)器件較少，成本最低；BTPC 適用于雙向功率流動(dòng)場(chǎng)景在雙向AC-DC變換器中電路成本也具備一定優(yōu)勢(shì)。最后，通過(guò)仿真分析，證實(shí)了所提電路良好的穩(wěn)態(tài)性能，在儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中具有一定應(yīng)用價(jià)值。