易靈芝，何 東，王書顥，劉 頡，許 芬

（湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

隨著傳統(tǒng)能源的日益枯竭和環(huán)境的惡化，清潔能源以其經(jīng)濟(jì)性、清潔性、儲能豐富的優(yōu)點(diǎn)，越來越受到人們的重視[1]。分布式發(fā)電技術(shù)是緩解能源危機(jī)和改善環(huán)境污染的有效方案，但大量的分布式電源（如光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等）直接并網(wǎng)將會對電網(wǎng)調(diào)峰和系統(tǒng)的安全運(yùn)行造成負(fù)面影響，而且單機(jī)接入成本高，容量小。目前主網(wǎng)采取的隔離方式限制了其能效發(fā)揮[2-3]。

微網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷和儲能裝置結(jié)合為一個(gè)獨(dú)立的整體，通過控制策略的靈活性實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行和孤島模式的平滑切換，能高效地發(fā)揮分布式電源的價(jià)值與效益。和交流微網(wǎng)相比，直流微網(wǎng)無需對電壓的相位和頻率進(jìn)行跟蹤，且直流電傳輸不需考慮配電線路的渦流損耗和線路吸收的無功能量，線路損耗得到降低。直流微網(wǎng)給用戶提供的電能質(zhì)量主要取決于負(fù)荷側(cè)電力電子裝置，因此，直流微網(wǎng)中電力變換器的拓?fù)?、控制和遙控技術(shù)為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的應(yīng)用開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域[4-5]。

目前，樓宇是世界最大的能源用戶之一。直流樓宇得到全球的高度關(guān)注，從2009年在日本東京召開的第1屆全球綠色建筑供電會議（GBPF），到2012年美國硅谷的第4屆GBPF，提出了DC 380 V的數(shù)據(jù)中心直流供電標(biāo)準(zhǔn)，討論了電源和用電設(shè)備的規(guī)格、電源品質(zhì)質(zhì)量和供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以及直流供電在通信、工業(yè)、政府辦公、家居中的應(yīng)用和樓宇供電技術(shù)（包括可再生能源發(fā)電、高效照明、無線樓宇自動化、樓宇能源需求側(cè)管理等）。直流樓宇讓億萬人能夠在自己的家中、辦公室和工廠里利用分布式電源為自己的樓房、電器和汽車供電。在直流樓宇分布式電源（光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、燃料電池等）供電系統(tǒng)中[6]，各種輸入源均通過各自的DC/DC變換器進(jìn)行直流變換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，成本較高。多輸入直流變換器 MIC（Multiple-Input Converter）[7]能將多種分布式輸入源和負(fù)載連接在一起，它允許多個(gè)性質(zhì)、幅值和特性不同的輸入源單獨(dú)或同時(shí)向負(fù)載供電。MIC控制自由度的靈活性，可實(shí)現(xiàn)直流樓宇內(nèi)各分布式電源的聯(lián)合供電。

近年來，MIC越來越得到國內(nèi)外學(xué)者的重視，并提出了一些電路拓?fù)鋄7-12]。文獻(xiàn)[7]提出了一種新的雙輸入Buck變換器，該變換器電路結(jié)構(gòu)簡單，輸入源既可單獨(dú)也可同時(shí)向負(fù)載供電，但是只能用在降壓場合。文獻(xiàn)[8]中的多路輸入高升壓Boost變換器控制簡單，開關(guān)器件電壓應(yīng)力低，但該變換器只能用在升壓場合。文獻(xiàn)[9]提出一種雙輸入反激DC/DC變換器，通過變壓器實(shí)現(xiàn)了電氣隔離并解決了傳統(tǒng)Buck-Boost電路的輸入輸出極性倒置情況，輸入源可以單獨(dú)也可以同時(shí)向負(fù)載供電，但只適合于小功率場合。文獻(xiàn)[10]給出的多輸入Buck-Boost變換器電路拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)了電氣隔離，但由于存在電壓箝位，在任意時(shí)刻只能有一種輸入源向負(fù)載供電，在一些特定場合不能滿足系統(tǒng)需要。

本文針對直流樓宇微網(wǎng)提出一種新型單電感多輸入Buck-Boost直流變換器。多種輸入源可單獨(dú)或同時(shí)向負(fù)載供電，并能解決升/降壓場合中傳統(tǒng)Buck-Boost電路[13]的極性倒置問題。該變換器只含有1個(gè)電感和1個(gè)電容器件，結(jié)構(gòu)簡單，開關(guān)管電壓應(yīng)力低。以新型雙輸入Buck-Boost變換器為例，應(yīng)用于直流樓宇的風(fēng)光混合分布式發(fā)電系統(tǒng)中，提出控制策略，并通過MATLAB仿真模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。

1 直流樓宇微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

直流樓宇微網(wǎng)主要由分布式電源、變換器、直流配電網(wǎng)、儲能裝置和直流負(fù)荷組成，圖1為本文研究的基于MIC的直流樓宇微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中風(fēng)力發(fā)電（采用開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)（SRG）[14]）、光伏電池、儲能裝置、后備電源（柴油發(fā)電機(jī)）通過多輸入DC/DC變換器直接連到直流母線。最后，整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)通過一臺雙向整流器接入主網(wǎng)。主網(wǎng)的接入可保證網(wǎng)內(nèi)功率的平衡，提高系統(tǒng)供電可靠性。負(fù)載端通過電力電子變換器可以得到多種電力供應(yīng)，如DC 48 V、AC 380 V 等[15-17]。

圖1 基于MIC的直流樓宇微電網(wǎng)架構(gòu)Fig.1 Configuration of DC building microgrid based on MIC

2 電路拓?fù)涔ぷ髟砼c控制策略

2.1 電路拓?fù)涔ぷ髟?/h3>

以新型雙輸入Buck-Boost變換器（如圖2所示）為例分析其工作原理，為了簡化分析，做如下假設(shè)：所有開關(guān)管、二極管均為理想器件；電感、電容為理想元件。開關(guān)管采用相同開關(guān)頻率，儲能電感足夠大，電感電流工作在電流連續(xù)模式。圖3給出了開關(guān)管采用相同開關(guān)頻率且同時(shí)開通控制方式[7]下的變換器主要工作波形。其中，D1、D2分別為開關(guān)管VT1、VT2的占空比；Ts為開關(guān)周期；s1、s2、s3分別為開關(guān)管VT1、VT2、VT3的驅(qū)動信號；iVT1為流經(jīng)開關(guān)管 VT1的電流；iVT2為流經(jīng)開關(guān)管 VT2的電流；ILmax、ILmin分別為流過電感電流的最大值和最小值。變換器在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有以下3種工作模態(tài)。

圖2 新型雙輸入Buck-Boost變換器Fig.2 Dual-input Buck-Boost converter

圖3 雙輸入Buck-Boost變換器主要工作波形Fig.3 Main operating waveforms of dual-input Buck-Boost converter

a.工作模態(tài)Ⅰ（t0～t1時(shí)段）。 開關(guān)管 VT1、VT2、VT3導(dǎo)通，輸入源U1和輸入源U2同時(shí)給電感L充電，二極管 VD1、VD2、VDR關(guān)斷，電感電流 iL流經(jīng)輸入源 U1、VT1、L、輸入源 U2、VT2，電感電流 iL持續(xù)線性增大。同時(shí)，電容C向負(fù)載供電，電容電壓不斷減小，此時(shí)VD1、VD2上承受的電壓應(yīng)力分別為U1、U2，則在此模態(tài)有：

b.工作模態(tài)Ⅱ（t1～t2時(shí)段）。 開關(guān)管 VT2關(guān)斷，VT1、VT3導(dǎo)通，輸入源U1單獨(dú)給電感L充電，二極管VD1、VDR關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，電感電流 iL流經(jīng)輸入源 U1、VT1、L、VT3、VD2。電感電流iL持續(xù)線性增大，上升斜率比工作模態(tài)Ⅰ小。同時(shí)，電容C繼續(xù)向負(fù)載供電，電容電壓不斷減小，此時(shí)VD1上承受的電壓應(yīng)力為U1，VT2上承受的電壓應(yīng)力為U2，則在此模態(tài)有：

c.工作模態(tài) Ⅲ（t2～t3時(shí)段）。 開關(guān)管 VT1、VT2、VT3均關(guān)斷，VD1、VDR續(xù)流導(dǎo)通，儲存在電感L中的能量釋放給負(fù)載，同時(shí)給電容C充電。電感電流iL線性減小，電容C兩端電壓不斷增大。此時(shí)VT1上承受的電壓應(yīng)力為 U1，VT2、VT3、VD2上承受的電壓應(yīng)力也由于三者分壓分別小于U2，則在此模態(tài)有：

由上述工作模態(tài)分析可知，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，由輸入源U1單獨(dú)給電感L供電時(shí)，VT3、VD2始終導(dǎo)通 ，U1、VT1、L、VD1、VDR、C 和 R構(gòu)成新型 Buck-Boost變換器，輸入、輸出電壓極性相同；而傳統(tǒng)Buck-Boost變換器的輸出電壓Uo與輸入電壓Ui極性相反。由輸入源U1和U2同時(shí)給電感L供電時(shí)，電感L兩端的電壓是2個(gè)輸入源電壓的串聯(lián)，輸入、輸出電壓極性也相同。

2.2 控制策略

雙輸入Buck-Boost變換器的控制框圖如圖4所示，變換器采用第1路輸入功率固定和第2路補(bǔ)充負(fù)載所需不足功率的主從式電壓電流雙閉環(huán)控制策略。將輸出電壓反饋信號Uof與參考電壓Uor經(jīng)電壓PI調(diào)節(jié)器比較放大后得到Ue，Ue與基準(zhǔn)電流Ii2r疊加后作為 I′i2r。若 I′i2r為正值，輸入電流反饋信號 Ii2f與I′i2r經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器2比較放大后經(jīng)PWM電路得到了VT2的控制信號s2，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器 2 組成雙閉環(huán)；由于 VD截止（I′i2r＞0），輸入電流反饋信號Ii1f與基準(zhǔn)電流Ii1r經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器1比較放大后經(jīng)PWM電路得到了VT1的控制信號s1。若I′i2r為負(fù)值，電流調(diào)節(jié)器2輸出為負(fù)，則VT2關(guān)斷；由于VD導(dǎo)通（I′i2r＜0），I′i2r與基準(zhǔn)電流 Ii1r疊加后作為 I′i1r，輸入電流反饋信號Ii1f與I′i1r經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器1比較放大后經(jīng)PWM電路得到了VT1的控制信號s1，此時(shí)電壓調(diào)節(jié)器與電流調(diào)節(jié)器1組成雙閉環(huán)。同時(shí)，VT1與VT2的占空比經(jīng)或門輸出得到開關(guān)VT3的控制信號s3。

圖4 雙輸入Buck-Boost變換器控制框圖Fig.4 Block diagram of dual-input Buck-Boost converter control

3 輸入/輸出特性分析

3.1 電壓、電流表達(dá)式

3.1.1 連續(xù)模式基本關(guān)系式

根據(jù)雙輸入變換器一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的3種運(yùn)行模態(tài)分析變換器的工作特點(diǎn)及性能。假設(shè)D1＞D2，由電感L的伏秒平衡原理有：

輸出電壓為：

同理，對拓?fù)涞碾娙軨應(yīng)用安秒平衡原理可得：

其中，Io=Uo/R為輸出電流的平均值，則電感平均電流為：

各輸入源電流的平均值Is1=D1IL，Is2=D2IL。

以上分析可知，變換器在電路連續(xù)工作模式下，輸出電壓大小只與2個(gè)輸入源電壓大小及開關(guān)管VT1、VT2的占空比有關(guān)，與負(fù)載無關(guān)，且輸入、輸出電壓極性相同。

3.1.2 斷續(xù)模式基本關(guān)系式

在斷續(xù)模式下，開關(guān)VT1、VT2同時(shí)導(dǎo)通期間，輸入源電壓U1+U2加在電感L兩端，電感電流從零開始線性增加，在t1時(shí)刻VT2關(guān)斷，VT1繼續(xù)導(dǎo)通，電感電流繼續(xù)線性增加，到t2時(shí)刻增加到最大值ILmax；開關(guān)VT1關(guān)斷后，電感釋放能量，在下一個(gè)開通周期之前，電感電流在t3時(shí)刻減小到零。斷續(xù)模式時(shí)，在開關(guān)VT1、VT2關(guān)斷期間，二極管 VDR僅在 t2～t3期間導(dǎo)通，電感電壓UL和電流iL波形如圖5所示。

假設(shè)輸入功率等于輸出功率，可得：

圖5 斷續(xù)模式時(shí)電感L上的電壓和電流波形Fig.5 Voltage and current waveforms of L in DCM

電感平均電流為：

各輸入源平均電流Is1、Is2與電感平均電流IL有關(guān)，即：

由式（9）—（11）可得：

則臨界電感值LC為：

3.2 功率均衡分析

在引言部分提到，開發(fā)雙輸入變換器的基本動機(jī)是使它們能夠由2個(gè)輸入源單獨(dú)或同時(shí)向負(fù)載供電。雙輸入變換器能夠改變來自每個(gè)源的功率，但不改變提供給負(fù)載的總功率，同時(shí)保持輸出電壓恒定。本節(jié)通過分析新型變換器的輸入和輸出關(guān)系來探討變換器的功率均衡能力。由式（5）可得雙輸入變換器的輸出電壓：

各個(gè)輸入源的平均功率為：

可得每個(gè)輸入源平均功率為：

式（16）、（17）表明，負(fù)載 R 不變時(shí)各個(gè)輸入源的平均功率取決于輸入源電壓 U1、U2、D1、D2，所以供給負(fù)載的總功率為：

式（18）括號里的項(xiàng)等于輸出電壓Uo，有：

以上分析可知，在選定占空比時(shí)輸出電壓保持恒定、負(fù)載不變的情況下，總的輸出功率也保持恒定，即變換器能夠保持恒壓恒功率輸出。

4 拓?fù)渫蒲?/h2>

在雙輸入Buck-Boost變換器的基礎(chǔ)上，推演得到圖6所示的新型n路多輸入Buck-Boost變換器。其中，VT1、VT2、…、VTn+1為功率開關(guān)管；U1、U2、…、Un分別為變換器的多個(gè)輸入源；VD1、VD2、…、VDn為續(xù)流二極管；VDR為輸出整流二極管；L和C分別為電感和電容；R為負(fù)載。假設(shè)：電感電流iL連續(xù)；開關(guān)VT1、VT2、…、VTn+1采用相同頻率且同時(shí)開通控制方式。下面對其變換器工作性能進(jìn)行分析。

圖6 新型多輸入Buck-Boost變換器Fig.6 Multi-input Buck-Boost converter

設(shè)各開關(guān)管 VTi（i=1，2，…，n）對應(yīng)的導(dǎo)通占空比為Di，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)應(yīng)用電感L的伏秒平衡原理有：

可推出：

其中，i，h=1，2，…，n。

同理，對電容C應(yīng)用安秒平衡原理可得：

可得電感平均電流為：

各輸入源平均電流Isi=DiIL。則各輸入源供給負(fù)載的總功率為：

由式（23）、（24）得到：

由以上分析可知，有n路輸入源時(shí)，輸出電壓只與各輸入源電壓和各開關(guān)占空比有關(guān)，負(fù)載不變時(shí)，變換器也能夠保持輸出功率恒定。

5 仿真與實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證本文提出的新型雙輸入Buck-Boost變換器的工作原理和控制策略的正確性，利用MATLAB軟件搭建風(fēng)光混合供電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究。

a.以開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電機(jī)[18]為對象建立仿真模型，仿真參數(shù)為：額定功率Po=750 W，額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，四相 8/6 級，繞組內(nèi)阻 r=0.15 Ω，轉(zhuǎn)矩慣量 J=0.0016 kg·m2，摩擦系數(shù) f=0.0183。

b.光伏電池模型仿真參數(shù)以4塊珠海興業(yè)太陽能生產(chǎn)的光伏電池（型號SYE270P-72）串聯(lián)組成的光伏陣列為參考，單塊電池在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（1000 W/m2，25℃）下參數(shù)為：最大功率Pm=270 W，開路電壓Uoc=44.5 V，短路電流Isc=8.25 A，最大功率點(diǎn)電壓Um=35 V，最大功率點(diǎn)電流Im=7.71 A。

c.雙輸入Buck-Boost變換器的參數(shù)為：額定功率Po=1.5 kW，電感L=63.5 mH，輸出濾波電容C=680 μF，輸出電壓Uo=220 V（此電壓等級兼容目前大多家電設(shè)備），仿真模型如圖7所示。

圖7 風(fēng)光混合系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of wind/photovoltaic hybrid system

圖 8（a）、（b）給出了滿載時(shí)風(fēng)光聯(lián)合供電輸出電壓、功率的仿真波形。可看出輸出電壓保持恒定且電壓波動在10%以內(nèi)；負(fù)載不變時(shí)，輸出功率恒定。圖8（d）—（g）給出了輕載時(shí)SRG和光伏單獨(dú)供電輸出電壓、功率的仿真波形?？煽闯鯯RG和光伏分別單獨(dú)供電時(shí)，此時(shí)分別調(diào)節(jié)VT1、VT3和VT2占空比使得輸出電壓保持恒定且電壓波動均在10%以內(nèi)；負(fù)載不變時(shí)，輸出功率恒定。分布式電源在聯(lián)合或單獨(dú)供電的情況下，仿真實(shí)驗(yàn)與理論分析結(jié)果一致。

圖8 風(fēng)光混合系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.8 Simulative results of wind/photovoltaic hybrid system

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性，實(shí)驗(yàn)室研制了一臺1.5 kW的原理樣機(jī)，主電路中開關(guān)管VT1、VT2、VT3均選用 IXTH30N50，二極管 VD1、VD2、VDR選用MUR460，輸入電壓 U1=150～240 V，U2=180～300 V，開關(guān)頻率fs=50 kHz，其他實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致。

圖9為變換器工作實(shí)驗(yàn)波形。圖9（a）為輸入源U1=200 V 單獨(dú)向負(fù)載供電時(shí)開關(guān)管 VT1、VT2、VT3的驅(qū)動電壓；圖9（b）為電感電壓UL和電感電流iL，此時(shí)輸入源U2退出工作，由U1單獨(dú)向負(fù)載供電，且使得輸出電壓穩(wěn)定在DC 220 V；圖9（c）為輸入源U2=180 V單獨(dú)向負(fù)載供電時(shí)開關(guān)管VT1、VT2、VT3的驅(qū)動電壓；圖9（d）為電感電壓UL和電感電流iL，此時(shí)輸入源U1退出工作，由U2單獨(dú)向負(fù)載供電，輸出電壓穩(wěn)定在 DC 220 V；圖 9（e）為 2個(gè)輸入源U1=200 V和U2=180V同時(shí)向負(fù)載供電時(shí)開關(guān)管VT1、VT2、VT3的驅(qū)動電壓；圖9（f）為電感電壓UL和電感電流iL，此時(shí)輸入源U1和U2同時(shí)向負(fù)載供電，輸出電壓保持恒定。實(shí)驗(yàn)波形與理論分析和仿真結(jié)果一致，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖9 變換器工作實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of converter

6 結(jié)論

新型多輸入Buck-Boost變換器具有電路簡單、可同時(shí)升/降壓、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低、輸入輸出同極性、輸入源可單獨(dú)或同時(shí)向負(fù)載供電等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了雙輸入變換器的工作原理及其特性，提出能量控制策略，并通過MATLAB仿真模型和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路拓?fù)淅碚摲治龅恼_性和控制策略的可行性。隨著輸入源的增加，多輸入Buck-Boost變換器的控制自由度變得更加靈活，在直流樓宇中為光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電和燃料電池等多種分布式能源的綜合利用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，直流樓宇的高效、高可靠電力電子變換器技術(shù)將是下一步的研究方向。