朱勝杰，張厚升

（山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255022）

0 引言

隨著各國(guó)對(duì)能源和環(huán)境問題越來越重視，清潔無(wú)污染可再生能源得到了廣泛的關(guān)注。在電力領(lǐng)域中，新能源分布式發(fā)電由于具有污染小、可再生、安裝地點(diǎn)分散靈活等優(yōu)點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注，并在全球范圍內(nèi)迅速推廣［1-2］。為了使分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，微電網(wǎng)概念被提出，現(xiàn)已成為分布式電源接入到配電網(wǎng)的重要形式［3-4］。在負(fù)載互連、分布式能源和分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)合并集成到網(wǎng)格中的情況下，微電網(wǎng)已成為現(xiàn)實(shí)。對(duì)更靈活的電力系統(tǒng)，節(jié)能和環(huán)境影響的需求正在推動(dòng)微電網(wǎng)的發(fā)展。相比交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)更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經(jīng)簡(jiǎn)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(wú)功功率流動(dòng)等問題，且更加高效節(jié)能，逐漸引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注［5］。

通常，微電網(wǎng)可以在并網(wǎng)模式和孤島模式下運(yùn)行［6］。在并網(wǎng)模式下，微電網(wǎng)連接到公用電網(wǎng)，與公用事業(yè)并聯(lián)運(yùn)行，并通過公共耦合點(diǎn)與公用電網(wǎng)交換電力。但是，當(dāng)上游電網(wǎng)中發(fā)生故障時(shí)，微電網(wǎng)將斷開公用電網(wǎng)，并轉(zhuǎn)移為孤島模式運(yùn)行。在孤島模式下，微電網(wǎng)可以作為獨(dú)立電網(wǎng)使用分布式能源發(fā)電。其中，最重要的部分為平衡來自公用電網(wǎng)和分布式能源的需求和供給。此外，受環(huán)境及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和政治關(guān)系的影響，許多類型的可再生能源，如光伏和風(fēng)能，被廣泛用于微電網(wǎng)中的分布式能源。但可再生能源易受自然環(huán)境影響，使分布式電源系統(tǒng)具有一定的不穩(wěn)定性，因此，使用其作為不間斷電源供電時(shí)需要儲(chǔ)能系統(tǒng)［7］。

為實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)中能量產(chǎn)生系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)的能量分配，提出各種雙向DC／DC 變換器（Bidirectional Full-bridge DC／DC Converter，BDC）作為連接高電壓總線（安裝了燃料電池堆或光伏陣列等能量產(chǎn)生系統(tǒng)）和低電壓總線之間的永久性關(guān)鍵組件，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)常采用電池或超級(jí)電容器等器件，如圖1 所示［8］。通常，BDC 分為隔離型和非隔離型兩類，其中隔離型BDC 使系統(tǒng)配置更加靈活并且滿足必需的安全標(biāo)準(zhǔn)［9-10］。隔離式雙向DC／DC 轉(zhuǎn)換器基于高頻隔離變壓器的單相和H 橋拓?fù)洌鐖D2 所示。

圖1 BDC 在微電網(wǎng)中配電的典型應(yīng)用

圖2 隔離型BDC 典型結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)的DC／DC 變換器相比，隔離型BDC 具有電氣隔離、高可靠性、易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制和能量雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)［11-12］。許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多針對(duì)隔離型BDC 的控制策略。文獻(xiàn)［13］提出了一種對(duì)隔離型BDC 擴(kuò)展相移控制策略，用于微電網(wǎng)中的功率分配，擴(kuò)展相移控制不僅擴(kuò)大了傳輸功率的調(diào)節(jié)范圍，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)的靈活性，而且減小了電流應(yīng)力，提高了系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)［14］提出了一種PWM 加相移控制雙向DC/DC 變換器。在該轉(zhuǎn)換器中，PWM 控制和相移控制相結(jié)合以減少電流應(yīng)力和傳導(dǎo)損耗，并擴(kuò)大零電壓開關(guān)（Zero Voltage Switching，ZVS）范圍。文獻(xiàn)［15］提出了一種在寬范圍負(fù)載變化下，使DC/DC變換器的逆變側(cè)和整流側(cè)的開關(guān)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的控制策略，并且可以提供系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)［16］提出了基于三重移相控制的電流有效值準(zhǔn)最優(yōu)化的All-ZVS控制策略，該策略在全功率范圍和雙向功率傳輸下改善了器件的工作條件，在減小導(dǎo)通損耗的前提下進(jìn)一步消除了開關(guān)損耗，大大提高了效率，在低功率段的效率提升尤為明顯，有利于進(jìn)一步提升變換器的開關(guān)頻率和功率密度。

提出一種對(duì)隔離型BDC 的移相控制與PI 控制相結(jié)合的控制策略。其中，通過PI 控制實(shí)現(xiàn)對(duì)整流側(cè)的電壓閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)控制輸出電壓達(dá)到額定輸出電壓。并對(duì)隔離型BDC 的移相控制原理進(jìn)行分析，同時(shí)也對(duì)隔離型BDC 工作特性進(jìn)行分析。最后，通過仿真結(jié)果驗(yàn)證所提方法的正確性和有效性。

2 隔離型BDC 移相控制原理

隔離型BDC 通過移相控制方式，改變變壓器原邊電壓uh1與副邊橋臂電壓uh2之間的移相角來控制功率輸出的大小，并且可以使uh1和uh2在滿占空比下工作。通過圖3 可以看出變壓器原邊與副邊控制橋臂為180°導(dǎo)通方式，可以使斜對(duì)角的開關(guān)管導(dǎo)通方式相同。圖3 中：Th為半個(gè)開關(guān)周期；D 為移相占空比，即uh1和uh2之間的移相角與π 相比為移相占空比，且0

假設(shè)變換器在穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)，且變壓器為理想變壓器。分析可知變換器處在正向工作狀態(tài)時(shí)，開關(guān)S1、S2和S3、S4驅(qū)動(dòng)脈沖超前于Q1、Q2和Q3、Q4驅(qū)動(dòng)脈沖。通過電壓閉環(huán)控制反饋輸出電壓信號(hào)，確定變壓器副邊橋臂開關(guān)管移相脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)管的導(dǎo)通關(guān)斷。由圖4 所示的等效電路可以看出，在一個(gè)工作周期內(nèi)，變換器共有4 種開關(guān)模式，分析如下。

1）在［0，t0）時(shí)刻，如圖4（a）所示。S2和S3、Q2和Q3是導(dǎo)通的，原邊電流流過開關(guān)S2和S3，iL為負(fù)值。副邊電流流過二極管D6和D7?？梢缘贸鲭娫碪1輸出功率，電源U2吸收功率。

2）在［t0，t1］時(shí)刻，如圖4（b）所示。在t0時(shí)刻，S2和S3關(guān)斷，iL從D1和D4中流過，可以使S1和S4零電壓開通。此時(shí)，uh1=U1，uh2=-U2，而uL=U1+nU2，可以得出iL為線性上升。在t1時(shí)刻，iL從負(fù)值上升到0，此時(shí)D1和D2自然關(guān)斷。此過程是電感L 向電源釋放能量的過程。

圖3 隔離型BDC 在移相控制時(shí)的工作波形

圖4 變換器正向工作時(shí)的開關(guān)狀態(tài)等效電路

3）在（t1，t2）時(shí)刻，如圖4（c）所示。t1時(shí)刻之后電流iL為正，原邊電流從S1和S4流過。副邊電流流經(jīng)Q2和Q3，Q2和Q3實(shí)現(xiàn)零電壓開通。此時(shí)uL=U1+nU2，iL仍為線性上升。此過程是電源向電感L 充電的過程。

4）在［t2，t3］時(shí)刻，如圖4（d）所示。在t2時(shí)刻，電流iL從D5和D8中流過，可以使Q1和Q4零電壓開通，iL繼續(xù)線性上升。在此過程電源U1輸出功率，電源U2吸收功率。

變換器下半周期的工作狀態(tài)與上述半個(gè)周期工作類似。

圖5 為隔離型BDC 開關(guān)策略控制模型，原邊側(cè)使用脈寬調(diào)制器控制S1—S4開關(guān)開關(guān)斷，工作波形如圖3 所示。副邊側(cè)加入了電壓閉環(huán)控制，通過反饋副邊電壓U2進(jìn)行PI 調(diào)節(jié)得出移相比D，對(duì)副邊開關(guān)Q1—Q4進(jìn)行移相脈寬控制。使用PI 電壓閉環(huán)控制可以快速讓副邊電壓U2跟蹤額定電壓U2ref。

圖5 隔離型BDC 開關(guān)策略控制模型

3 隔離型BDC 的傳輸功率

由圖3 可以看出，在［t0，t2］時(shí)刻，電流iL線性上升，可以表示為

式中：iL（t0）為在t0時(shí)刻流過電感的電流。

因t2-t0=DTh，則t2時(shí)刻流過電感的電流為

在［t2，t3］時(shí)刻內(nèi)，iL為

其中，t3-t2=（1-D）Th，則t3時(shí)刻的電感電流可以表示為

iL在正負(fù)半周期內(nèi)是對(duì)稱的，則iL（t0）=-iL（t3）。則根據(jù)式（2）和式（3），可得

式中：fs為開關(guān)頻率，fs=1／（2Th）。

根據(jù)式（1）—（3），iL在半個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式為

原邊輸入的平均功率為

式中：Iave為輸入電流的平均值。

把式（6）代入式（7），可得

圖6 與D 的關(guān)系

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證提出的基于電壓PI 閉環(huán)加移相控制的隔離型BDC 控制策略的正確性和有效性，在MATLAB／Simulink 仿真環(huán)境中對(duì)基于電壓PI 閉環(huán)加移相隔離型BDC 控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。隔離型BDC 的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 變換器主要參數(shù)

設(shè)置輸入直流電壓U1=300 V，輸出額定電壓U2ref=260 V。圖7 為開關(guān)S1—S4和Q1—Q4的脈沖調(diào)制信號(hào)，可以看出與圖3 中理論脈沖信號(hào)是一致的。開關(guān)S1—S4為正常的調(diào)制信號(hào)；對(duì)Q1—Q4進(jìn)行移相脈沖調(diào)制，通過輸出電壓U2的PI 反饋控制得到移相比D，調(diào)制Q1—Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得輸出電壓跟蹤設(shè)定的額定電壓變化，達(dá)到需要的輸出電壓。

圖8 為變壓器原副邊電壓仿真波形圖，從圖中可以看出，變壓器原邊電壓Uh1在-300～300 V 變動(dòng)，始終為穩(wěn)態(tài)。變壓器副邊電壓Uh2要經(jīng)過0.03 s 的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且Uh2比Uh1的值要小，由于設(shè)置的變壓器原副邊變比為1∶2，變壓器副邊電壓Uh2還與輸出負(fù)載的大小有關(guān)系，當(dāng)輸出電阻變小時(shí)Uh2也會(huì)跟著變小，反之亦然。所以在選擇輸出負(fù)載電阻時(shí)要注意對(duì)電壓的要求。從圖中可以看出，Uh2要滯后Uh1，滯后的時(shí)間為DTh。與圖3 理論中的波形相比，變壓器原副邊的波形是一致的，證明了所提出方法的正確性和有效性。

圖7 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

圖8 變壓器原副邊電壓波形

如圖9 所示，電感電流和電壓均經(jīng)過0.03 s 不穩(wěn)定狀態(tài)后達(dá)到穩(wěn)定。電流隨著電壓變化而改變，電壓達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)電流也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與圖3 中的理論波形相似，UL在一個(gè)周期內(nèi)的波形均為先正后負(fù)，iL在一個(gè)周期內(nèi)的波形均為先增后減。

圖9 電感的電流和電壓波形

如圖10 所示，輸出電流i0是跟隨輸出電壓U2變化的，兩者在0.03 s 時(shí)到達(dá)第一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)的U2還沒有到達(dá)額定電壓，通過電壓閉環(huán)的調(diào)節(jié)，改變移相比，使得U2在t=0.26 s 時(shí)開始上升，在t=0.3 s 時(shí)U2=U2ref=260 V 到達(dá)第二個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。輸出電流i0的波形與U2的波形變化一致。輸出電壓從0 V到達(dá)額定電壓260 V 用0.3 s。圖11 為U1=480 V 時(shí)輸出的電壓和電流，設(shè)定的輸出額定電壓U2ref=400 V。從圖中可以看出輸出電壓U2在t=0.15 s 時(shí)到達(dá)400 V，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電流波形變化與輸出電壓波形變化是一樣的?？梢悦黠@看出比U1=300 V 時(shí)的輸出電壓有更優(yōu)的快速響應(yīng)特性。從圖10 和圖11 可以看出所提出的控制策略具有對(duì)調(diào)節(jié)輸出電壓快速響應(yīng)的特性，證明了基于電壓PI 閉環(huán)加移相控制對(duì)隔離型BDC 具有良好的控制效果，與理論是一致的。

圖10 U1=300 V 時(shí)輸出的電壓和電流

圖11 U1=480 V 時(shí)輸出的電壓和電流

5 結(jié)語(yǔ)

以隔離型雙向全橋DC/DC 變換器為研究對(duì)象，分析了該變換器在移相控制下的工作原理，建立了等效電路模型，并推導(dǎo)了其傳輸功率表達(dá)式。通過對(duì)移相控制下?lián)Q流方式的分析，提出了電壓PI 閉環(huán)加移相控制的控制策略，通過設(shè)定不同的輸入電壓和額定輸出電壓，以仿真實(shí)驗(yàn)表明了該控制方式可以有效地令輸出電壓跟蹤額定輸出電壓的變化，可以使輸出電壓滿足直流電網(wǎng)或用戶的要求，并提高了輸出電壓響應(yīng)速度。最后，通過仿真驗(yàn)證了文中所提方法的正確性和有效性。