雷志方 汪 飛 高艷霞 阮 毅

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面向直流微網(wǎng)的雙向DC-DC變換器研究現(xiàn)狀和應(yīng)用分析

雷志方 汪 飛 高艷霞 阮 毅

（上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院 上海 200072）

直流微網(wǎng)是一種連接分布式電源與主電網(wǎng)的微網(wǎng)形式，雙向DC-DC變換器（BDC）作為直流微網(wǎng)中必不可少的接口電路，在直流微網(wǎng)中充當(dāng)著重要的角色，能夠有效提升分布式電源利用率和直流微網(wǎng)的電能質(zhì)量。在簡要闡述學(xué)者們關(guān)于直流微網(wǎng)結(jié)構(gòu)研究成果的基礎(chǔ)上，歸納出了BDC在直流微網(wǎng)中的四方面典型應(yīng)用。主要呈現(xiàn)了面向直流微網(wǎng)的BDC研究成果，著重分析了直流微網(wǎng)中應(yīng)用BDC作為接口電路的變換器拓?fù)溥x擇。最后，基于研究現(xiàn)狀的分析，結(jié)合直流微網(wǎng)的發(fā)展趨勢和電力電子關(guān)鍵技術(shù)對(duì)BDC未來的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行了討論。

直流微網(wǎng) 雙向DC-DC變換器 接口電路 應(yīng)用分析

0 引言

微網(wǎng)是指以分布式發(fā)電技術(shù)為基礎(chǔ)，靠分散型資源或用戶的小型電站為主，結(jié)合終端用戶電能質(zhì)量管理和能源梯級(jí)利用技術(shù)形成的小型模塊化、分散式供能網(wǎng)絡(luò)。雖然各國和各大型研究機(jī)構(gòu)對(duì)微網(wǎng)的定義因?yàn)閭?cè)重點(diǎn)的不同而略有差異，但其具有相同的基本目標(biāo)：提高電力安全、保證可靠供電、改善供電品質(zhì)、利用新能源和提高能源利用效率等[1]。

微網(wǎng)是隨著分布式電源（如太陽電池、燃料電池、風(fēng)力機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和沼氣發(fā)電等）的發(fā)展而發(fā)展起來的，是一種有效利用分布式電源的配電形式[1-3]。由于以風(fēng)能和太陽能為代表的可再生分布式電源可控性差、隨機(jī)波動(dòng)性強(qiáng)，通過微網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)一方面增強(qiáng)了分布式電源的可控性，減小了將分布式電源直接接入大電網(wǎng)而產(chǎn)生的不穩(wěn)定性，使分布式電源的應(yīng)用更加靈活高效。另一方面為改善電能質(zhì)量，提高供電的可靠性提供了巨大潛力[4-6]。

相比交流微網(wǎng)，直流微網(wǎng)由于更加方便于分布式電源的接入（分布式電源產(chǎn)生的電能多為直流電或可經(jīng)過簡單整流后變?yōu)橹绷麟姡?，由于不存在分布式電源間的同步和無功功率流動(dòng)等問題，且更加高效節(jié)能，逐漸引起了更多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[6]。文獻(xiàn)[1,6-9]詳細(xì)地介紹了直流微網(wǎng)概念的產(chǎn)生背景和意義，對(duì)比總結(jié)了歐洲、美國和日本的直流微網(wǎng)研究現(xiàn)狀及其示范工程，概括性地討論了直流微網(wǎng)研究中的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[10-13]主要研究了直流微網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)和直流母線電壓控制技術(shù)。本文將在深入了解直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，歸納出雙向DC-DC變換器（Bidirectional DC-DC Converters, BDC）在其中的重要應(yīng)用，并在總結(jié)面向直流微網(wǎng)的BDC研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)其應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析。最后對(duì)BDC及其面向直流微網(wǎng)的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析討論。

1 直流微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及BDC在其中的應(yīng)用分類

進(jìn)入21世紀(jì)以來，以美國、日本、韓國和歐洲等國家為代表的研究機(jī)構(gòu)開始了對(duì)直流微網(wǎng)的研究，他們的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率變換技術(shù)和控制及通信技術(shù)方面，而相應(yīng)的示范工程也都主要以住宅、樓宇和數(shù)據(jù)中心為應(yīng)用場合。如圖1所示是融合了國內(nèi)外研究成果而繪制的直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合示意圖，系統(tǒng)主要包括分布式電源、分布式儲(chǔ)能單元、分布式負(fù)載和功率變換器等（控制及通信設(shè)備在此不予呈現(xiàn)）[14-18]。

圖1所示系統(tǒng)中包含兩種主母線：高壓母線和低壓母線。高壓配電母線既可以是交流母線也可以是直流母線，這由配電網(wǎng)的形式?jīng)Q定。目前比較常用的是高壓交流母線，其電壓等級(jí)一般不低于6kV，目前高壓直流母線的研究和應(yīng)用還比較少，但隨著柔性直流輸電的深入發(fā)展，高壓母線采用直流的配電形式引起了學(xué)者們的重視，本文在此呈現(xiàn)的是高壓直流母線的配電形式。高壓直流母線的電壓等級(jí)會(huì)因微網(wǎng)的容量大小而不同，但是在現(xiàn)有的城市配電網(wǎng)中，10kV電壓等級(jí)的中壓配電母線長期存在，因此本文建議在直流微網(wǎng)的發(fā)展過程中應(yīng)該有效參考10kV電壓等級(jí)和國外比較認(rèn)可的20kV電壓 等級(jí)。

低壓母線的電壓等級(jí)及構(gòu)成形式到目前為止還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比較典型的是美國CPES中心的380V和48V雙層直流母線，美國北卡羅來納州立大學(xué)構(gòu)建的FREEDM系統(tǒng)的DC 400V和AC 120V交直流混合母線形式及日本大阪大學(xué)提出的DC±170V的雙極性母線結(jié)構(gòu)[14-18]。我國學(xué)者在文獻(xiàn)[6]中根據(jù)我國的用電需求提出了220V和380V的雙層直流母線結(jié)構(gòu)，既能夠滿足現(xiàn)有大多數(shù)低壓家電設(shè)備，又能夠滿足越來越多的變頻空調(diào)、電冰箱和洗衣機(jī)等單相交流負(fù)載的用電需求。如圖1所示的直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)融合了各國學(xué)者的主流思想，構(gòu)造了包括DC 380V的主母線、DC 380V和DC 48V雙層母線形式以及DC±190V雙極性母線形式[19]。

圖1 直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)綜合示意圖

在該結(jié)構(gòu)中高壓母線和低壓母線之間的能量流動(dòng)是雙向的，這符合未來柔性直流配電網(wǎng)的主要發(fā)展趨勢，其中雙向DC-DC變換器融合了高頻隔離技術(shù)和鏈?zhǔn)阶兞骷夹g(shù)的智能功率變流器?！?90V雙極性直流母線的配電形式是通過在單母線間跨接BDC實(shí)現(xiàn)的。BDC在此一方面承擔(dān)構(gòu)造中性線的作用，另一方面又能解決雙極性母線上的負(fù)載不平衡問題。

系統(tǒng)還通過BDC接入了不同等級(jí)的儲(chǔ)能單元，包括用戶級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，以提高用戶的用電質(zhì)量和可靠性，改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通常，用戶級(jí)的儲(chǔ)能單元容量相對(duì)較小，可以通過BDC接入低壓直流母線，系統(tǒng)級(jí)的儲(chǔ)能單元容量相對(duì)較大，可以根據(jù)應(yīng)用需要接入低壓直流母線或者高壓直流母線。

如圖1所示，對(duì)于微網(wǎng)中的負(fù)載而言，一般的直流負(fù)載可以直接從直流母線接入或者通過單向的升降壓電路接入直流母線；對(duì)于一般的交流負(fù)載，可以通過逆變器接入直流母線；而對(duì)于敏感性等特殊負(fù)載，可以通過逆變器前置直流變換器實(shí)現(xiàn)精確控制或者是實(shí)現(xiàn)負(fù)載與直流母線之間的電壓匹配；對(duì)于一些諸如電梯等具有較大能量回饋的負(fù)載，可以通過前置BDC以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度、寬范圍調(diào)速和能量的雙向流動(dòng)，進(jìn)而在提高電機(jī)負(fù)載控制性能的同時(shí)提高用電效率。

由此看出單向/雙向直流功率變換器在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，其作為接口電路不僅實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間的能量流動(dòng)，分布式電源和儲(chǔ)能單元的并網(wǎng)接入，也實(shí)現(xiàn)了不同類型和不同電壓等級(jí)負(fù)載的接入。本文主要關(guān)注的是直流微網(wǎng)中BDC的應(yīng)用，結(jié)合圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和以上的分析可知在儲(chǔ)能單元和直流母線之間、直流母線與直流母線之間、負(fù)載與直流母線之間以及雙極性母線之間，BDC都扮演著重要的角色。

2 BDC在直流微網(wǎng)中的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用分析

目前，國內(nèi)多數(shù)學(xué)者關(guān)于BDC的研究主要集中在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、燃料電池供電系統(tǒng)、航空電源、電動(dòng)汽車和不間斷電源等領(lǐng)域，他們根據(jù)不同的應(yīng)用場合提出了眾多的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以滿足應(yīng)用需要，而面向直流微網(wǎng)的BDC應(yīng)用研究則主要集中在儲(chǔ)能技術(shù)方面，且關(guān)于BDC的應(yīng)用形式比較單一。通過圖1所示的直流微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不難看出，BDC在直流微網(wǎng)中的應(yīng)用比較廣泛，不僅是在儲(chǔ)能方面，在需要能量雙向流動(dòng)的高、低壓直流母線之間扮演了不可或缺的角色，在雙極性母線的配電形式下也是必不可少的，同時(shí)在能量回饋性負(fù)載中具有很大的應(yīng)用潛力。

2.1 儲(chǔ)能單元接口電路

在微網(wǎng)系統(tǒng)中，電能存儲(chǔ)單元起著至關(guān)重要的作用，一方面可以改善可再生能源輸出的不穩(wěn)定性對(duì)電能質(zhì)量的影響，抑制大電網(wǎng)本身的電壓波動(dòng)；另一方面可以保障直流微網(wǎng)的供電可靠性，提高電能利用率[4,10-12]。儲(chǔ)能技術(shù)的研究是目前微網(wǎng)研究的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者在這方面已做了大量的工作。本小節(jié)將基于多數(shù)學(xué)者的研究成果，從應(yīng)用的角度進(jìn)行適用性分析。

通常由蓄電池和超級(jí)電容組成的多元復(fù)合儲(chǔ)能單元的電壓等級(jí)不會(huì)很高，一般比較常見的在100～300V之間，而電動(dòng)汽車等動(dòng)力系統(tǒng)電池電壓等級(jí)一般為144V、288V、320V、346V、400V和576V。

從儲(chǔ)能單元的電壓等級(jí)角度考慮，當(dāng)電壓等級(jí)低于100V時(shí)（直流母線電壓為380V），需要采用高電壓比的BDC來實(shí)現(xiàn)直流母線和儲(chǔ)能單元之間的能量流動(dòng)，這時(shí)既可以采用文獻(xiàn)[20-23]中提出的正反激組合式和推挽正激移相式隔離型拓?fù)洌ㄇ罢唠m然結(jié)構(gòu)簡單，但一般只適用于小功率；后者雖然容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制，但不可避免會(huì)出現(xiàn)變壓器偏磁的問題），也可以采用文獻(xiàn)[24]提出的如圖2所示的基于Buck-Boost帶耦合電感的非隔離型BDC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)大電壓比（雖然該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易實(shí)現(xiàn)磁集成，但耦合電感的形式使變換器的控制略微復(fù)雜）?？紤]到輸入側(cè)低壓大電流和直流母線側(cè)電壓相對(duì)較高的特點(diǎn)，也可以采用推挽全橋組合式的BDC拓?fù)鋄21]。

圖2 基于Buck-Boost的帶耦合電感的BDC

當(dāng)電壓等級(jí)在100～300V之間時(shí)可以采用如圖3所示比較常見的雙向Buck-Boost拓?fù)?，其具有電路結(jié)構(gòu)簡單、電壓應(yīng)力小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)[11,25-27]。也可以采用如圖4所示的基于Buck-Boost交錯(cuò)并聯(lián)BDC拓?fù)?，其能夠有效減小儲(chǔ)能電感的體積，大大降低儲(chǔ)能單元的輸入、輸出電流紋波，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了BDC的小型化和輕量化[28-31]。而在更大功率、更小紋波電流要求的場合，多模塊化的交錯(cuò)并聯(lián)電路才是更好的選擇[29]。

圖3 雙向Buck-Boost變換器

圖4 交錯(cuò)并聯(lián)Buck-Boost BDC

而對(duì)于采用較高電壓等級(jí)的蓄電池可以采用文獻(xiàn)[32]提出的如圖5所示的基于Buck-Boost三電平BDC，在降低開關(guān)管電壓應(yīng)力的同時(shí)，能夠有效減小輸入電流紋波、儲(chǔ)能電感和濾波電容的體積。對(duì)于電壓等級(jí)較高的大功率動(dòng)力電池單元（實(shí)現(xiàn)V2G概念），從用電安全的角度則推薦使用如圖6所示的雙有源橋式隔離BDC拓?fù)?，隨著SiC和GaN等新型功率半導(dǎo)體的出現(xiàn)，相關(guān)此類型及其變形拓?fù)湓诟唠妷捍蠊β蕬?yīng)用方面的研究工作已逐步成熟[33-36]。

圖5 基于Buck-Boost三電平BDC

圖6 雙有源橋式隔離BDC

文獻(xiàn)[37,38]考慮到微網(wǎng)中既有太陽電池和燃料電池等分布式發(fā)電單元，還有許多蓄電池和超級(jí)電容等儲(chǔ)能單元，提出了如圖7所示的一類多端口磁耦合分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)[37]。其中每個(gè)實(shí)框所示的單元都可以通過基本的Buck-Boost變換器實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)直流母線之間的能量流動(dòng)。如果是分布式發(fā)電單元，可以向直流母線提供能量；如果是分布式儲(chǔ)能單元，可以通過Buck-Boost變換器實(shí)現(xiàn)與直流母線之間的雙向能量流動(dòng)。而不同母線之間的能量流動(dòng)可以通過虛框中的半橋電路來實(shí)現(xiàn)。

圖7 多端口磁耦合分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)

由于直流微網(wǎng)中分布式能量單元較多，多端口磁耦合的BDC拓?fù)湓诖司哂忻黠@的優(yōu)勢。圖7中不同母線以不同電壓等級(jí)接入分布式電源或分布式儲(chǔ)能單元，這樣既可以實(shí)現(xiàn)分布式單元與母線的電壓等級(jí)匹配、分布式單元和電網(wǎng)電壓的電氣隔離以及分布式儲(chǔ)能單元的能量均衡，也便于實(shí)現(xiàn)接口電路的集成化，有效減小功率變換電路的體積和重量。非隔離單元可以采用簡單而又經(jīng)濟(jì)可靠的雙向Buck-Boost電路，隔離單元電路既可以采用半橋電路，也可以采用推挽電路或全橋電路等。

文獻(xiàn)[39]從直流配電網(wǎng)層面提出了適合于分布式電源接入高壓直流電網(wǎng)的接口電路。如圖8所示的基于IBDC鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)中的分布式儲(chǔ)能變換單元（Distributed Energy Storage and Conversion Cell, DESCC）通過圖6所示的雙有源橋式隔離BDC（Dual Active Bridge Isolated BDC，DAB-IBDC）子單元實(shí)現(xiàn)了高電壓比、高功率能量雙向傳輸和良好的電氣隔離。而所有的DESCC通過采用鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的連接形式實(shí)現(xiàn)低壓大容量儲(chǔ)能單元和高壓直流母線之間的能量雙向流動(dòng)，進(jìn)而在改善電能質(zhì)量的同時(shí)，提高新能源利用率。

本文在此綜合考慮分布式儲(chǔ)能的優(yōu)勢，結(jié)合文獻(xiàn)[5,37,39]提出如圖9所示的基于隔離和非隔離的模塊化混合鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖9中的隔離和非隔離單元可以選用不同的BDC拓?fù)洌?。在同等指?biāo)下，相較于圖8，該儲(chǔ)能系統(tǒng)通過結(jié)合使用非隔離的Buck-Boost變換器單元和隔離的雙有源橋式變換器單元可以顯著減小高頻變壓器匝數(shù)比，減小漏磁，提升轉(zhuǎn)換效率。實(shí)現(xiàn)能量在儲(chǔ)能單元間的均衡控制，充分利用和保護(hù)儲(chǔ)能單元，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和集成化，進(jìn)而達(dá)到較高的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

圖8 基于IBDC的鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)

圖9 模塊化混合鏈?zhǔn)絻?chǔ)能系統(tǒng)

2.2 直流變壓器

文獻(xiàn)[9]中提到，在直流配電網(wǎng)中，由于分布式電源的存在，低壓配電母線與高壓配電母線之間的能量交換既可以是單向的也可以是雙向的。而為了充分發(fā)揮分布式電源的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的改善，具有雙向交互功能的直流配電網(wǎng)將是未來的主要發(fā)展趨勢。因而目前采用高頻隔離和直流鏈?zhǔn)阶兞骷夹g(shù)來實(shí)現(xiàn)高、低壓直流母線間的功率變換已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者們的廣泛關(guān)注[38-43]。

文獻(xiàn)[42]提出了如圖10所示的基于DAB-IBDC高頻隔離直流鏈?zhǔn)阶儔浩鹘Y(jié)構(gòu)。其核心單元是DAB-IBDC型雙向直流變換器，在高壓側(cè)DAB- IBDC采用串聯(lián)的方式進(jìn)行分壓，在低壓側(cè)DAB- IBDC采用并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)大電流工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量在高低壓直流母線之間的雙向流動(dòng)，若要實(shí)現(xiàn)更大功率的能量傳輸可以在高低壓直流母線間掛接更多這樣的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

圖10 基于DAB-IBDC高頻隔離直流鏈?zhǔn)阶儔浩?/p>

文獻(xiàn)[43]結(jié)合高頻隔離和多電平技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高電壓比的直流功率變換，通過使用新型高電壓大功率器件SiC實(shí)現(xiàn)了電壓24kV/750V轉(zhuǎn)換，傳輸功率高達(dá)270kW。

由上述內(nèi)容和固態(tài)變壓器（Solid State Transformer, SST）的概念可知用于直流母線之間的變壓器會(huì)綜合采用多電平技術(shù)、鏈?zhǔn)阶兞骷夹g(shù)和高頻隔離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。到目前為止，有關(guān)直流鏈路變壓器的研究還不是很多，多數(shù)學(xué)者的研究主要集中在基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的單元電路——DAB-IBDC的變形拓?fù)洹⒖刂撇呗院蛙涢_關(guān)實(shí)現(xiàn)等方面[33-36]。

2.3 能量回饋性負(fù)載接口電路

在直流微網(wǎng)中，直流母線電壓會(huì)因?yàn)椴⒕W(wǎng)、離網(wǎng)或是負(fù)載的突然接入或切除而出現(xiàn)波動(dòng)，這對(duì)其他負(fù)載是不利的[44]。同時(shí)，直流微網(wǎng)中直流母線電壓是一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)每一個(gè)并入直流母線的微電源都要對(duì)其輸出進(jìn)行控制，從而起到維持直流母線電壓穩(wěn)定的目的。除了分布式發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元，能量回饋性負(fù)載也可以認(rèn)為是一個(gè)微源（諸如日常生活中的電梯）。因此在直流微網(wǎng)系統(tǒng)中，能量回饋性負(fù)載（如帶逆變器驅(qū)動(dòng)的電機(jī)負(fù)載）可以通過如圖11所示的級(jí)聯(lián)BDC的基本電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣尤胫绷髂妇€，以減小母線電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)負(fù)載的影響，提高電機(jī)的控制性能[45-47]。

圖11 級(jí)聯(lián)BDC的基本電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[45-47]通過逆變器前置雙向Buck-Boost電路不僅增強(qiáng)了系統(tǒng)在負(fù)載變化時(shí)抑制母線電壓波動(dòng)的能力，也實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)。尤其是文獻(xiàn)[47]提出的如圖12所示的級(jí)聯(lián)Buck-Boost的電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)?，其借助于前置的雙向Buck-Boost和后級(jí)的逆變器配合控制不僅能夠有效抑制無刷直流電機(jī)的三相電流的紋波，抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，減小鐵損及提高效率，而且還實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的寬范圍多方式調(diào)速和能量的雙向流動(dòng)。

圖12 級(jí)聯(lián)Buck-Boost的電機(jī)驅(qū)動(dòng)拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[48]提出的如圖13所示的基于DAB的Z源雙向DC-DC變換器是一種基于雙阻抗網(wǎng)絡(luò)的雙向全橋DC-DC變換器，其變壓器兩側(cè)電路完全對(duì)稱，電路上沒有高低壓側(cè)之分，變換器的電壓調(diào)節(jié)既可以通過阻抗網(wǎng)絡(luò)，也可以通過高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)，具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)該電路還可以承受橋臂直通，且可靠性高。該電路拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)高電壓大功率場合的能量雙向傳輸，因而隨著微網(wǎng)容量等級(jí)的提升，在工業(yè)級(jí)直流微網(wǎng)中，該拓?fù)淇梢宰鳛榍凹?jí)電路應(yīng)用于大功率能量回饋性負(fù)載。

圖13 基于DAB的Z源IBDC

圖12所示的雙向級(jí)聯(lián)式Buck-Boost電路和圖13所示的Z源雙向BDC在單方向上都既可以實(shí)現(xiàn)升壓變換也可以實(shí)現(xiàn)降壓變換，因而具有較寬的電壓調(diào)節(jié)范圍。把這種具有較寬電壓調(diào)節(jié)范圍的BDC作為電機(jī)負(fù)載的前級(jí)電路有利于電機(jī)的寬速度范圍調(diào)速、直流電壓利用率的提高和電機(jī)的平滑制動(dòng)?？傊陔姍C(jī)驅(qū)動(dòng)電路前級(jí)級(jí)聯(lián)BDC電路不僅可以減小微網(wǎng)直流母線電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)負(fù)載的影響，提高電機(jī)的控制性能，也可以提高用電效率，改善電能質(zhì)量。

2.4 電壓平衡器

在直流微網(wǎng)中有各種形式的負(fù)載，這些負(fù)載可以直接接入直流母線或者通過不同形式的變換器接入直流母線，為了便于不同電壓等級(jí)的負(fù)載接入，文獻(xiàn)[16]提出了雙極性直流母線的配電形式。為了滿足雙極性直流母線供電需要，通常在直流電網(wǎng)進(jìn)入用戶時(shí)接入一個(gè)獨(dú)立的電壓平衡器來構(gòu)造一根中性線，以三線制的配電形式進(jìn)入用戶端，以提高直流微網(wǎng)的靈活性、安全性和可靠性[16-18,49-51]。

圖14a為文獻(xiàn)[49]提出的三電平電壓平衡器，將其變形為如圖14b所示的拓?fù)?，其本質(zhì)是一個(gè)三電平的雙向Buck-Boost變換器。當(dāng)1＞2時(shí)，VT1和VT2作為主開關(guān)管，向負(fù)載2額外注入一定電流，提供額外的能量；當(dāng)1＜2時(shí)，VT3和VT4作為主開關(guān)管，將負(fù)載2多余的能量回饋給負(fù)載1。從輸入和輸出端口來看，當(dāng)1＞2時(shí)，額外的能量正向流動(dòng)；當(dāng)1＜2時(shí)，額外的能量反向流動(dòng)。

（a）

（b）

圖14 三電平電壓平衡器

Fig.14 Three level voltage balancer

文獻(xiàn)[50]對(duì)電壓平衡器也進(jìn)行了深入的研究，并提出如圖15所示的一種雙Buck半橋電壓平衡器，從本質(zhì)上來講是一個(gè)變形的雙向Buck-Boost變換器，使用了兩個(gè)電感，避免了圖14中開關(guān)管直通問題。文獻(xiàn)[16,51]采用雙向Buck-Boost變換器做為電壓平衡器，實(shí)現(xiàn)了正、負(fù)極母線與中性線間的電壓平衡，并通過前級(jí)的雙向Buck-Boost變換器（穩(wěn)壓器）抑制前級(jí)母線的電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三線制母線的電壓穩(wěn)定，具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖15 雙Buck半橋電壓平衡器

圖16 前置穩(wěn)壓器的Buck/Boost電壓平衡器

通過以上分析可以看出應(yīng)用于電壓平衡器的直流變換器需要滿足能量雙向流動(dòng)和輸入、輸出極性相反的條件。由此可知將輸入、輸出電壓極性相反的BDC跨接在單極性的直流母線之間，可以實(shí)現(xiàn)單極性母線向雙極性母線的轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)兩條直流母線上的電壓平衡。對(duì)于高壓直流母線場合（如艦船直流配電系統(tǒng)），建議使用文獻(xiàn)[49]提出的圖14所示的三電平BDC拓?fù)?。?duì)于一般的小容量、低電壓等級(jí)的場合，可以使用文獻(xiàn)[16,50,51]提出的如圖15和圖16所示的結(jié)構(gòu)簡單控制方便的BDC拓?fù)洹?/p>

3 技術(shù)趨勢分析

本文主要闡述了適用于直流微網(wǎng)的BDC研究現(xiàn)狀，并從四個(gè)方面進(jìn)行了應(yīng)用分析，即儲(chǔ)能單元接口電路、直流變壓器、能量回饋性負(fù)載接口電路和電壓平衡器。下面結(jié)合現(xiàn)有學(xué)術(shù)研究成果做出如下的技術(shù)趨勢分析。

關(guān)于儲(chǔ)能單元接口電路的研究是一大熱點(diǎn)，本文根據(jù)儲(chǔ)能單元電壓等級(jí)和拓?fù)涞碾姎飧綦x情況繪制了儲(chǔ)能單元接口電路應(yīng)用選型參考見表1。其中的非隔離型、正激、反激及其相關(guān)組合型拓?fù)湟话愣噙m用于中小功率，而在大功率應(yīng)用場合中可考慮選用DAB-IBDC及其變形拓?fù)洌ㄒ妶D6）。面向多分布式電源的微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，集成度較高的三端口或多端口變換器則較為適用。另一方面，在低電壓大電流場合，可結(jié)合使用交錯(cuò)并聯(lián)和同步整流技術(shù)以提高轉(zhuǎn)換效率、減小電流脈動(dòng)和增大功率密度。在高電壓大功率場合，可引入多電平技術(shù)和鏈?zhǔn)阶兞骷夹g(shù)以減小開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)低壓大容量儲(chǔ)能單元和高壓直流母線之間的能量雙向流動(dòng)，進(jìn)而滿足柔性直流輸電的需要。

表1 兩端口儲(chǔ)能單元接口電路選擇表

Tab.1 The selection table of two-ports energy storage interfacing circuits

有關(guān)高壓直流鏈路變壓器的研究相對(duì)較少，主要集中在基于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的核心單元電路—DAB-IBDC的變形拓?fù)?、控制策略和軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)的研究，以及單元電路和模塊電路中的均壓和均流控制。拓?fù)溲芯孔钪苯拥姆椒ㄊ菍⒏邏褐绷鬏旊娭械碾妷簱Q流技術(shù)和交流SST中的變換技術(shù)應(yīng)用到直流變壓器中。隨著柔性直流輸電的發(fā)展，高壓直流鏈路變壓器會(huì)向著融合高頻隔離、多電平、軟開關(guān)、模塊化和磁集成技術(shù)的方向發(fā)展。

雙極性母線的配電形式存在正負(fù)極性母線上負(fù)載不平衡問題，但不可忽視其方便不同電壓等級(jí)負(fù)載接入的應(yīng)用優(yōu)勢。電壓平衡器作為產(chǎn)生雙極性母線的關(guān)鍵部件，其功率等級(jí)取決于兩條直流母線與中性線之間的負(fù)載不平衡程度，負(fù)載不平衡程度越大，電壓平衡器的功率等級(jí)越高。故將負(fù)載接入三線制母線時(shí)應(yīng)充分考慮負(fù)載平衡度與電壓平衡器功率等級(jí)的匹配以提高用電效率。關(guān)于電壓平衡器的研究，可從拓?fù)浣嵌瓤紤]將其他具有輸入、輸出極性相反特點(diǎn)的BDC應(yīng)用于此，進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化電壓平衡器的拓?fù)浼捌淇刂啤?/p>

將BDC作為接口電路應(yīng)用于能量回饋性負(fù)載和直流母線之間可以極大改善母線電壓波動(dòng)對(duì)電機(jī)負(fù)載的影響，也可以有效提高電機(jī)的高性能控制和實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收利用。這方面的研究工作已經(jīng)有了良好的開端，在節(jié)能電梯和電動(dòng)汽車中已獲得了初步應(yīng)用，并進(jìn)一步向電機(jī)控制低噪聲化、高精準(zhǔn)化和節(jié)能高效的方向發(fā)展。

與此同時(shí)，考慮到BDC在微電網(wǎng)中的規(guī)?；瘧?yīng)用，在系統(tǒng)層面的研究需要關(guān)注以下兩個(gè)方面。多樣化的BDC接口電路在微網(wǎng)中因?yàn)樽儞Q器之間的交互而引起的系統(tǒng)不穩(wěn)定問題需要進(jìn)行建模分析以及不穩(wěn)定因素預(yù)測，并從微網(wǎng)和BDC不同層面研究應(yīng)對(duì)策略。另一方面，以控制雙向和單向直流變換器工作模式為核心的系統(tǒng)能量管理策略的研究有待深入和優(yōu)化以增強(qiáng)微網(wǎng)的適應(yīng)性、可靠性和開放性，進(jìn)而減緩功率間歇的影響，實(shí)現(xiàn)可再生能源的最大化利用。有效應(yīng)對(duì)負(fù)載變化、大電網(wǎng)電壓閃絡(luò)以及直流微網(wǎng)并網(wǎng)和離網(wǎng)等工況的變化，便于微網(wǎng)的進(jìn)一步擴(kuò)展。

4 結(jié)論

本文在簡要分析直流微網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)直流微網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較深入的調(diào)查研究，總結(jié)歸納了直流微網(wǎng)中BDC接口電路的四方面典型應(yīng)用。文章著力闡述了近期國內(nèi)外諸多學(xué)者面向直流微網(wǎng)的BDC相關(guān)研究和應(yīng)用成果，主要分析了在不同場合下BDC的選擇和應(yīng)用特點(diǎn)。最后對(duì)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)未來的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)進(jìn)行了討論。

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Research Status and Application Analysis of Bidirectional DC-DC Converters in DC Micro-Grids

（Institute of Electrical and Mechanical Engineering and Automation Shanghai University Shanghai 200072 China）

DC micro-grid is a grid form integrating distributed energy systems with utility power systems. As the indispensable interface circuits, bidirectional DC-DC converters (BDC) play an important role in DC micro-grids. It can effectively improve the distributed energy utilization ratio as well as the performance and quality of DC micro-grids. After the brief introduction of DC micro-grid system architectures, the four typical applications of BDC in DC micro-grids are classified and aggregated. This paper concludes the current research achievements, and focuses on the applications of BDC in DC micro-grids. Finally, the future development tends of BDC are discussed on the view of DC micro-grid development trends and the key technologies of power electronics.

DC micro-grids, bidirectional DC-DC converters, interface circuits, application analysis

TM46

國家自然科學(xué)基金（51107078），臺(tái)達(dá)環(huán)境與教育基金會(huì)《電力電子科教發(fā)展計(jì)劃》（DREG2012006）和教育部留學(xué)回國科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目。

2014-10-05 改稿日期 2015-04-11

雷志方 男，1990年生，碩士研究生，研究方向?yàn)镈C-DC變換器及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用。E-mail: leizhifang521@163.com

汪 飛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電與電能質(zhì)量控制技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)和固態(tài)照明驅(qū)動(dòng)。E-mail: f.wang@shu.edu.cn（通信作者）