大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)三電平雙向DC／DC變換器的研制與仿真

楊曉輝，程 紅，于慶廣

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電學(xué)院，北京100083；2.清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084）

0 引言

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，兆瓦級(jí)以上大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注［1－2］。能量傳輸系統(tǒng)（PCS）是儲(chǔ)能介質(zhì)與電網(wǎng)的接口，能量通過(guò)PCS實(shí)現(xiàn)在儲(chǔ)能介質(zhì)和電網(wǎng)之間的雙向流動(dòng)。大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的PCS有兩種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)［3］。一種是由雙向脈沖寬度調(diào)制（PWM）整流逆變器構(gòu)成的僅含DC／AC環(huán)節(jié)的PCS。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗較低，但是儲(chǔ)能介質(zhì)的端電壓限制了交流側(cè)電壓水平，無(wú)法實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的靈活配置。若電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障會(huì)在PCS直流母線上產(chǎn)生短時(shí)大電流，會(huì)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。另一種是包含DC／DC和DC／AC環(huán)節(jié)的PCS。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的DC／DC環(huán)節(jié)可以控制直流電壓的升降，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能介質(zhì)端電壓與DC／AC環(huán)節(jié)直流母線電壓匹配。儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的不斷增大，母線電壓也越來(lái)越高，這就對(duì)PCS中直接與儲(chǔ)能介質(zhì)相連的DC／DC環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

本文提出了一種適用于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的隔離型雙向DC／DC變換器。其以半橋三電平結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并與后級(jí)雙向DC／AC變換器一同構(gòu)成高頻鏈?zhǔn)絇CS。本文對(duì)該變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理和器件電壓應(yīng)力等進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了該變換器在單移相調(diào)制策略下的工作特性。

1 主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理

高頻隔離雙半橋三電平雙向DC／DC變換器由兩個(gè)半橋三電平結(jié)構(gòu)單元對(duì)稱的連接于高頻變壓器一、二次側(cè)構(gòu)成，含有兩個(gè)功率變換級(jí)。其中，一次側(cè)單元與大容量的儲(chǔ)能介質(zhì)相連，二次側(cè)單元與DC／AC環(huán)節(jié)直流母線側(cè)相連。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高頻隔離雙半橋三電平雙向DC／DC變換器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

變壓器一次側(cè)的結(jié)構(gòu)單元由帶有反并聯(lián)二極管和電容的開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3、S4，續(xù)流二極管D1、D2，分壓電容C1、C2和飛跨電容C3組成。其中，分壓電容C1、C2為大容量等值電容，其電壓為輸入電壓的一半。飛跨電容C3起到平衡C1、C2上電壓，同時(shí)解耦開(kāi)關(guān)管S1、S4和S2、S3開(kāi)關(guān)過(guò)程的作用。D1、D2起到均衡開(kāi)關(guān)管所受電壓應(yīng)力的作用，電感L起到能量傳輸和存儲(chǔ)的作用。根據(jù)功率流傳輸方向的不同，該變換器工作狀態(tài)分為兩種：當(dāng)功率由儲(chǔ)能介質(zhì)流向電網(wǎng)側(cè)，即U1→U2時(shí)，稱為正向功率流狀態(tài)；反之稱為反向功率流狀態(tài)。

將電路中的U2側(cè)折合到U1側(cè)，變壓器取T型等效電路，忽略勵(lì)磁回路影響，可以得到移相控制的隔離雙向DC／DC變換器的等效電路如圖2所示。

圖2中，L′為變壓器等效漏感與串聯(lián)電感的等效電感。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管S1～S8的開(kāi)關(guān)信號(hào)可在等效電感L′兩側(cè)得到占空比為50%的方波電壓UAB、UCD。兩幅值分別為U1／2和U2／2。通過(guò)控制UAB、UCD的相角就可以達(dá)到控制功率大小和流向的目的。

圖2 隔離雙向DC／DC變換器等效電路

開(kāi)關(guān)管的總器件應(yīng)力（TDR）是決定電路拓?fù)溥m用于何種電壓等級(jí)的重要指標(biāo)。在輸出功率Po＝UI的情況下，就以常見(jiàn)的H橋拓?fù)渑c半橋三電平拓?fù)湎啾容^，如圖3所示。

圖3 全橋拓?fù)渑c半橋三電平拓?fù)涞膶?duì)比

在H橋拓?fù)渲忻總€(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力等于輸入電壓，電流應(yīng)力等于負(fù)載電流I，其TDR＝4UI／Po＝4。半橋三電平拓?fù)洳捎么箅妷?、小電流傳輸方式，每個(gè)開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力為輸入電壓2U的一半（輸入電壓為2U時(shí)，輸出功率達(dá)到Po），電流應(yīng)力為的負(fù)載電流I，其TDR＝4UI／Po＝4。

由此可知，在輸入電壓U相同時(shí)，開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力，半橋三電平拓?fù)浔菻橋拓?fù)湫∫话?。?dāng)傳輸功率Po相同時(shí)，半橋三電平拓?fù)洳捎么箅妷?、小電流方式傳輸方式，兩者電壓?yīng)力相等。因此，半橋三電平拓?fù)溥m用于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)高電壓大功率輸入輸出場(chǎng)合。

2 單移相調(diào)制下的工作特性

2.1 單移相調(diào)制下的工作波形

在單移相調(diào)制策略下，變換器的每個(gè)半橋三電平橋臂中，所有開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比均為50%，且上半橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管和下半橋臂的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)。由于變壓器兩側(cè)半橋開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖存在移相，由此得到的兩側(cè)橋臂的輸出電壓也存在移相。變換器達(dá)到穩(wěn)定正向功率流狀態(tài)和反向功率流狀態(tài)時(shí)的工作波形如圖4所示。

圖4 變換器工作于正反相功率流模式時(shí)的理想波形

2.2 功率特性分析

φ為變壓器一二次側(cè)橋臂輸出電壓UAB與UCD之間的移相角，電感電流iL為一個(gè)關(guān)于ωt的函數(shù)，ω為開(kāi)關(guān)角頻率。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)將iL的波形分為4段，分別如下：

在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，iL（2π）＝iL（0），可得：

當(dāng)α＝π時(shí)，根據(jù)正負(fù)半周的對(duì)稱性可知I（0）＝－I（π），可得：

據(jù)以上可知，系統(tǒng)傳遞的功率為：

由式（5）可知，當(dāng)0＜φ≤π時(shí)，P＞0，功率流正向傳輸；當(dāng)－π＜φ≤0時(shí)，P＜0，功率反向傳輸；當(dāng)φ＝π／2時(shí)，變換器傳輸?shù)恼蚬β柿鬟_(dá)到最大值Pmax；當(dāng)φ＝－π／2時(shí)，變換器傳輸?shù)姆聪蚬β柿鬟_(dá)到負(fù)的最大值Pmin。

2.3 軟開(kāi)關(guān)條件

由于開(kāi)關(guān)管工作在高頻狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生極大的開(kāi)關(guān)損耗，所以開(kāi)關(guān)管必須工作在軟開(kāi)關(guān)條件下。變換器采用零電壓（ZVS）導(dǎo)通關(guān)斷，以正向功率流狀態(tài)為例，需滿足以下條件：電感電流iL在開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)為負(fù)，在開(kāi)關(guān)管S5導(dǎo)通時(shí)為正，即在0°和φ之間，電感電流iL過(guò)零［4］。其他開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)情況類似。由此可知變壓器一次側(cè)半橋三電平橋臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件為：

變壓器二次側(cè)半橋三電平橋臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)的條件為：

若讓變換器的所有開(kāi)關(guān)管都能工作在軟開(kāi)關(guān)條件下，φ需同時(shí)滿足式（6）和式（7）。由以上可知：當(dāng)nUCD／UAB＝1時(shí)，變換器一二次側(cè)的開(kāi)關(guān)管在全載范圍內(nèi)能實(shí)現(xiàn)ZVS；當(dāng)nUCD／UAB＜1時(shí)，正向功率流狀態(tài)下變壓器二次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍減小，并隨著其值的增大，實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍越來(lái)越??；當(dāng)nUCD／UAB＞1時(shí)，正向功率流狀態(tài)下變壓器一次側(cè)實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍減小，并隨著其值的增大，實(shí)現(xiàn)ZVS的范圍越來(lái)越小。反向傳輸模式與之相反。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是變換器設(shè)計(jì)的核心部分。采用電流型控制模式［5］實(shí)現(xiàn)雙閉環(huán)控制，控制量d（s）與輸出電壓、電流的閉環(huán)傳遞函數(shù)如圖5所示。圖5中，Gur（s）為電壓環(huán)控制器；Gir（s）為電流環(huán)控制器；e－Ts為由系統(tǒng)采樣、計(jì)算等引起的延遲；Gud（s）為輸出電壓對(duì)移相角的傳遞函數(shù)。

為方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)反饋校正，電壓環(huán)和電流環(huán)的控制器Gur（s）和Gir（s）均采用數(shù)字PI調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)負(fù)載電壓反饋值Uf小于電壓環(huán)給定值Ur時(shí)，即Uf＜Ur時(shí)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)的給定值Ir＞0，在內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制下電感電流If跟隨電流給定，此時(shí)儲(chǔ)能介質(zhì)發(fā)出功率，變換器處于正向功率流狀態(tài)。反之，當(dāng)Uf＞Ur時(shí)，有Ir＜0，If＜0，此時(shí)儲(chǔ)能介質(zhì)吸收能量，變換器工作在反向功率流狀態(tài)。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

4 仿真研究

設(shè)定雙半橋三電平雙向DC／DC變換器主要器件參數(shù)為U1＝1000 V，U2＝800 V，L＝45μF，f＝100 k Hz。在MATLAB simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，變換器一二側(cè)橋臂輸出的電壓UAB、UCD，電感電流IL，電感電壓UL以及輸出電壓U2如圖6所示。

圖6 變換器在單移相調(diào)制策略下的仿真圖

由圖6中可看出，當(dāng)輸入電壓U1＝1000 V時(shí)，一二側(cè)橋臂輸出的方波電壓UAB、UCD幅值均為500 V；開(kāi)關(guān)管承受的最大電壓Umax＝500 V，為輸入電壓U1的一半。因?yàn)殡姼兄递^大，電感電流IL波形接近正弦波，電感電壓UL有三個(gè)電平。輸出電壓U2在0.04 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，并嚴(yán)格控制在800 V。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種適用于大容量?jī)?chǔ)能系統(tǒng)的三電平隔離雙向DC／DC變換器，通過(guò)對(duì)變換器在一個(gè)周期內(nèi)的理想波形進(jìn)行分析，說(shuō)明了雙半橋三電平對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)的條件和達(dá)到最大傳輸功率的最值條件，并給出了開(kāi)關(guān)管工作在軟開(kāi)關(guān)條件的約束條件。

通過(guò)仿真證明，開(kāi)關(guān)管承受的電壓僅為輸入電壓的一半，且輸出電壓穩(wěn)定性良好。該變換器為大電壓大功率的PCS提供了一個(gè)很好的解決方案。

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