馮 斌，呂金歷，張中丹，馮智慧，白望望，崔 炎

(1.西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075； 2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

近年來(lái)，受環(huán)境保護(hù)和能源危機(jī)的雙重壓力，以太陽(yáng)能光伏、風(fēng)能為代表的分布式發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢(shì)頭，受到行業(yè)內(nèi)研究學(xué)者的高度關(guān)注[1-2]。伴隨著智能電網(wǎng)和信息技術(shù)的不斷突破，分布式發(fā)電在能源領(lǐng)域?qū)缪莞又匾慕巧绾纬浞指咝У乩眠@些清潔能源也已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)問(wèn)題之一。

由于光伏、風(fēng)電、燃料電池等清潔能源自身沒(méi)有能量?jī)?chǔ)存的功能，因此當(dāng)前普遍采用帶有儲(chǔ)能功能的復(fù)合分布式發(fā)電系統(tǒng)[3]，它由光伏、風(fēng)電、燃料電池等分布式電源、蓄電池、單向DC/DC升壓變換器、雙向DC/DC變換器、逆變器和負(fù)載等組成[4]，分布式電源和蓄電池分別通過(guò)單向DC/DC升壓變換器和雙向DC/DC變換器與直流母線相連，直流母線上的直流電通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換為額定交流電供給電網(wǎng)或者負(fù)載。在該復(fù)合分布式發(fā)電系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器扮演著實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的重要角色。目前應(yīng)用最多的電路拓?fù)錇閭鹘y(tǒng)Buck/Boost雙向DC/DC變換器，通過(guò)采用開關(guān)管替代Buck變換器中的續(xù)流二極管，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前的燃料電池供電系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和分布式發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[5]，但該電路存在如下缺點(diǎn)。

(1) 升壓比和降壓比分別為傳統(tǒng)Boost和Buck變換器的變比，變比較小，在輸入輸出電壓變比要求較大的場(chǎng)合，開關(guān)器件難以避免極端占空比狀態(tài)，不利于變換器效率的提高。

(2) 開關(guān)管的電壓應(yīng)力為高壓側(cè)輸入電壓UH，UH較高時(shí)開關(guān)管選型較為困難。

針對(duì)傳統(tǒng)Buck/Boost變換器存在的上述不足，文中在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出一種新型大變比雙向DC/DC變換器設(shè)計(jì)。

1 新型拓?fù)涞奶岢?/h2>

研究學(xué)者針對(duì)升壓型DC/DC變換器和降壓型DC/DC變換器分別進(jìn)行了廣泛深入的研究，已提出了多種不同類型的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-8]，相比而言，雙向DC/DC變換器拓?fù)涞难芯繄?bào)道相對(duì)較少，但雙向DC/DC變換器本質(zhì)上是升壓型DC/DC和降壓型DC/DC變換器的集成和組合而來(lái)，因此可以借鑒研究學(xué)者已提出的升壓型和降壓型DC/DC變換器拓?fù)涞乃悸穪?lái)構(gòu)建新型雙向DC/DC變換器拓?fù)洹?/p>

圖1為文獻(xiàn)[7]、[8]中分別用來(lái)構(gòu)建升壓型和降壓型DC/DC變換器所提出的開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)，圖1(a)所示的開關(guān)電感有源網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2和開關(guān)管S1、S2構(gòu)成，具體的工作原理如圖2(a)和(b)所示，當(dāng)開關(guān)管S1、S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電感L1和L2并聯(lián)充電；開關(guān)管S1、S2關(guān)斷時(shí)，電感L1和L2串聯(lián)放電，利用電感L1和L2“并聯(lián)充電和串聯(lián)放電”實(shí)現(xiàn)升壓功能，文獻(xiàn)[7]中利用該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出一種新型升壓型DC/DC變換器。圖2(b)所示開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2和二極管D1、D2構(gòu)成，當(dāng)二極管D1和D2導(dǎo)通時(shí)，電感L1和L2并聯(lián)放電，二極管D1和D2截止時(shí)，電感L1和L2串聯(lián)充電，與圖2(a)的有源網(wǎng)絡(luò)恰好相反，該網(wǎng)絡(luò)利用電感L1和L2“串聯(lián)充電和并聯(lián)放電”來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓功能，同樣文獻(xiàn)[8]中利用該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建出新型降壓型DC/DC變換器。

圖1 兩種開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)

圖2 開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)工作原理

在制造工藝上，開關(guān)管MOSFET和IGBT都自身集成帶有反并聯(lián)體二極管，利用器件的該特點(diǎn)，結(jié)合圖1中的升壓型有源網(wǎng)絡(luò)和降壓型無(wú)源網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)建出一種雙向開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3(a)所示。需要說(shuō)明的是，如果在繪制原理圖時(shí)考慮到開關(guān)管的反并聯(lián)二極管，圖1(a)所示的升壓型有源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和圖3(a)所示給出的雙向開關(guān)電感有源網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是相同的，但在升壓型有源網(wǎng)絡(luò)中反并聯(lián)體二極管在變換器整個(gè)工作模態(tài)中并不參與工作，有沒(méi)有反并聯(lián)體二極管對(duì)變換器的正常工作并不影響，而圖3(a)所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的二極管在降壓模式下是參與導(dǎo)電工作的，缺少該二極管，變換器將不能正常工作，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更強(qiáng)調(diào)的是具有能量雙向流動(dòng)的功能。

利用雙向開關(guān)電感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建出一種新型的雙向DC-DC變換器拓?fù)洌鐖D3(b)所示，其中UL代表低壓側(cè)端電壓，UH為高壓側(cè)端電壓，電容CL和CH為低壓側(cè)和高壓側(cè)的濾波電容。S1-S3為開關(guān)管，D1-D3分別為開關(guān)管S1-S3的反并聯(lián)體二極管。

圖3 新型雙向DC/DC變換器

2 工作原理分析

以分布式發(fā)電中的儲(chǔ)能系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述，UL表示儲(chǔ)能電池端電壓，CH表示直流母線側(cè)端電壓。該變換器具有兩種Boost升壓和Buck降壓兩種工作模式，當(dāng)工作在Boost升壓模式下時(shí)蓄電池通過(guò)雙向DC/DC變換器提升電壓等級(jí)，為右側(cè)的直流母線提供能量，同時(shí)保持直流母線電壓的穩(wěn)定。當(dāng)變換器工作在Buck降壓模式時(shí)，從直流母線通過(guò)雙向變換器降壓為蓄電池進(jìn)行充電，由此來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。

為了簡(jiǎn)化所提變換器工作原理的分析，作如下基本假設(shè)：所有功率開關(guān)器件均為理想器件，不考慮寄生參數(shù)的影響；電感L1，L2為同一規(guī)格，大小相等；變換器工作在電感電流連續(xù)導(dǎo)電 (continuous conduction mode, CCM)模式，在一個(gè)完整工作周期內(nèi)，電感電流不斷流。

2.1 Boost升壓模式

在一個(gè)工作周期TS內(nèi)，連續(xù)導(dǎo)電模式包含兩個(gè)基本工作模態(tài)，其等效電路如圖4(a)和(b)所示，下面依次進(jìn)行分析。

圖4 所提變換器的等效電路圖

(1) 模態(tài)1[t0,t1]:開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷，二極管D1-D3截止，此階段變換器的等效電路如圖5(a)所示。此時(shí)電感L1，L2并聯(lián)在蓄電池兩端進(jìn)行充電，電感電流iL1和iL2線性上升，電容CH為直流母線提供能量，因此L1和L2的端電壓為：

uL1=uL2=UL

(1)

(2) 模態(tài)2[t1,t2]:開關(guān)管S1-S3關(guān)斷，二極管D3導(dǎo)通，D1和D2截止，變換器的等效電路如圖4(b)。此時(shí)電感L1，L2串聯(lián)放電，電感電流iL1，iL2線性下降，蓄電池和電感L1、L2對(duì)電容CH進(jìn)行充電，并對(duì)直流母線提供能量，因此該階段L1和L2的端電壓為：

(2)

在一個(gè)開關(guān)周期中，結(jié)合式(1)和式(2)，根據(jù)電感伏秒平衡，可得：

(3)

聯(lián)立式(3)中的方程，可得：

(4)

2.2 Buck降壓模式

與Boost模式相類似，在一個(gè)周期TS內(nèi)，連續(xù)工作模式同樣包含兩個(gè)基本工作模態(tài)等效電路如圖5(c)和(d)所示，具體工作過(guò)程分析如下。

(1) 模態(tài)1[t0,t1]:開關(guān)管S3導(dǎo)通，S1和S2關(guān)斷，二極管D1-D3截止，此階段變換器的等效電路如圖4(c)。此時(shí)高壓側(cè)電源UH與電感L1，L2串聯(lián)對(duì)電容CL和蓄電池進(jìn)行放電，電感L1和L2串聯(lián)充電，電感電流iL1和iL2線性上升，此階段L1和L2的端電壓為：

(5)

(2) 模態(tài)2[t1,t2]:開關(guān)管S1-S3關(guān)斷，二極管D1和D2導(dǎo)通，D3截止，變換器的等效電路如圖4(d)。此時(shí)電感L1，L2并聯(lián)對(duì)電容CL和蓄電池放電，電感電流iL1，iL2線性下降，此階段L1和L2的端電壓為：

uL1=uL2=UL

(6)

在一個(gè)開關(guān)周期中，結(jié)合式(5)和式(6)，根據(jù)電感伏秒平衡，可得：

(7)

聯(lián)立式(7)中的方程，可得：

(8)

3 電路特性討論

3.1 電壓轉(zhuǎn)換比

由式(4)、(8)可知，新型的雙向DC/DC變換器工作在Boost和Buck模式下的電壓轉(zhuǎn)換比為：

(9)

圖5給出了文中所提雙向DC/DC變換器與傳統(tǒng)Buck/Boost雙向變換器在電壓轉(zhuǎn)換比性能的對(duì)比，從圖5(a)和(b)中可看出所提變換器較傳統(tǒng)Buck/Boost變換器在相同占空比時(shí)，均可實(shí)現(xiàn)更高的升壓比或降壓比。在輸入輸出電壓變換比大的場(chǎng)合，開關(guān)管可避免極端占空比狀態(tài)，有利于變換器效率的提升。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換比對(duì)比

3.2 開關(guān)器件電壓應(yīng)力

當(dāng)變換器工作在Boost模式下時(shí)，開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力相等，均為蓄電池和電感L2端電壓之差，即：

(10)

開關(guān)管S3的體二極管的電壓應(yīng)力為輸出直流母線側(cè)電壓UH和電感L2端電壓之和，即：

uD3=UH+uL2=UH+UL

(11)

當(dāng)變換器工作在Buck模式下時(shí)，開關(guān)S3的電壓應(yīng)力，均為蓄電池和電感L2端電壓之和，即：

uS3=UH+uL2=UH+UL

(12)

開關(guān)管S1和S2的體二極管電壓應(yīng)力相等，均為直流母線側(cè)電壓UH和電感L2端電壓之差，即：

(13)

4 仿真研究

為了驗(yàn)證文中所提新型雙向DC/DC變換器工作原理和電路特性分析的正確性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證分析，具體仿真參數(shù)如表1所列。

表1 仿真模型參數(shù)

圖6(a)和(b)為變換器工作在Boost升壓模式下的仿真波形圖，從圖6(a)中可以看出，在占空比為0.6時(shí)，蓄電池低壓側(cè)電壓端電壓為95 V，經(jīng)過(guò)雙向DC/DC變換器后升壓到378.5 V，實(shí)際升壓增益與理論推導(dǎo)公式(4)基本吻合，變換器在避免極大占空比的情況下實(shí)現(xiàn)了高增益升壓的功能。

圖6 仿真波形

圖6(b)為電感L1、L2電流iL1、iL2和開關(guān)管S1和S2的端電壓uS1、uS2仿真波形，電感電流iL1、iL2大小相等，當(dāng)開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性增加，開關(guān)管S1、S2關(guān)斷時(shí)，電感電流線性減小。從圖中可以看出開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力接近237 V，這與理論推導(dǎo)公式(10)相吻合，開關(guān)管S1和S2的電壓應(yīng)力較低。

圖6(c)和(d)為變換器工作在Buck降壓模式下的仿真波形圖，在占空比為0.4，高壓側(cè)電壓為380 V時(shí)，蓄電池低壓側(cè)電壓輸出約為95.5 V，與理論推導(dǎo)公式(8)相吻合，變換器在避免了極小占空比的情況下實(shí)現(xiàn)了大變比的降壓功能。在降壓模式下，電感電流與升壓模式不同的是反方向充電和放電，所以電感電流iL1和iL2為負(fù)值。從圖6(b)中可以看出，開關(guān)管S3的電壓應(yīng)力接近475 V，與理論分析公式(12)相吻合。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于開關(guān)電感有源網(wǎng)絡(luò)提出了一種新型大變比雙向DC/DC變換器，分析了其基本工作原理及電路特性，利用Matlab/Simulink搭建了電路仿真模型，仿真結(jié)果表明，所提變換器可以正常有效地工作，且新型雙向DC/DC變換器具有比傳統(tǒng)雙向Buck/Boost更強(qiáng)的升壓和降壓能力，能夠避免極端占空比而實(shí)現(xiàn)大變比的升降壓功能。