雙向DC-AC變流器及其運(yùn)用綜述

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(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116;2.廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361000)

雙向DC-AC變流器及其運(yùn)用綜述

盧德祥1,杜偉1,2

(1.福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350116;2.廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361000)

直流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)的母線電壓控制是微電網(wǎng)的首要環(huán)節(jié)，母線電壓調(diào)節(jié)通過雙向DC-AC變流器完成；電動(dòng)汽車與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)(V2G)系統(tǒng)也需雙向DC-AC變流器實(shí)現(xiàn)。介紹了幾種典型的三相雙向變流器和單相雙向變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，按功率等級(jí)和運(yùn)用場(chǎng)合指出了常用雙向變流器的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了傳統(tǒng)橋式雙向變流器的不足，為雙向變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供思路。

雙向變流器；微電網(wǎng)；V2G；全橋電路

1 引言

微電網(wǎng)組網(wǎng)方式分為直流微電網(wǎng)、交流微電網(wǎng)和交直流混合微電網(wǎng)3種類型[1-3]，是分布式電源并網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)[4]。在交流微電網(wǎng)中大部分電力負(fù)載由交流電通過整流器和緩沖大電容變成直流供電，若采用直流微網(wǎng)，負(fù)載直接通過直流電供電，可節(jié)約20%的元器件數(shù)量和8%的能量損耗[5]。

圖1給出了典型直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖[6-7]，直流微電網(wǎng)通過DC-AC雙向變換器與交流配電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)，在直流微網(wǎng)內(nèi)包含直流用電負(fù)載、新能源發(fā)電設(shè)備(風(fēng)能、太陽能)和儲(chǔ)能設(shè)備等組成。微電網(wǎng)有多余能量時(shí)，需通過雙向DC-AC變流器的逆變功能將電能回饋給電網(wǎng)。微電網(wǎng)自身發(fā)電能源無法滿足用電設(shè)備的需求，此時(shí)可通過雙向DC-AC變流器的整流功能，將大電網(wǎng)中的電能輸送至微電網(wǎng)內(nèi)，維持微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定。直流微電網(wǎng)易產(chǎn)生隨機(jī)波動(dòng)，在短路時(shí)將可能對(duì)直流母線電壓造成沖擊，極易造成整個(gè)直流微電網(wǎng)系統(tǒng)奔潰,故直流微電網(wǎng)的母線電壓控制成為首要問題[1,6,8]。為此，研究具備高效率、高可靠性的雙向DC-AC變流器應(yīng)用于直流母線電壓控制是直流微電網(wǎng)的首要環(huán)節(jié)。

電動(dòng)汽車與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)V2G(Vehicle to Grid)是家庭微電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，美國汽車工程協(xié)會(huì)對(duì)于接觸式充電設(shè)備制定了SAEJ-1772的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，電池和充電功率水平的基礎(chǔ)設(shè)施可分為三種類型：一級(jí)慢速充電方式、二級(jí)常規(guī)方式和三級(jí)快充方式[9]。V2G系統(tǒng)在給電動(dòng)汽車提供能量的時(shí)，還能起到削峰填谷、改善電力負(fù)荷曲線、支撐電網(wǎng)以及提高電網(wǎng)穩(wěn)定性的作用[10]。插電式混合動(dòng)力車與電網(wǎng)進(jìn)行互動(dòng)可提供良好經(jīng)濟(jì)性的電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度模式[11-12]。

圖1 典型直流微電網(wǎng)

為增強(qiáng)電動(dòng)汽車充電靈活性，通常會(huì)安裝車載或便攜式的充電機(jī)設(shè)備，典型的車載或非車載的電動(dòng)汽車充放電結(jié)構(gòu)如圖2所示，車載型充電設(shè)備集成在電動(dòng)汽車車身上，機(jī)動(dòng)性能好便于家用和移動(dòng)點(diǎn)充電處充電，只需要將充電插頭接入單相或者三相電網(wǎng)即可。圖2中雙向DC-AC變換器是車載充電設(shè)備的最主要環(huán)節(jié)，采用車載充電方式的電動(dòng)汽車通過雙向DC-AC變換器和雙向DC-DC變換器向電池組充電，進(jìn)而維持母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)電動(dòng)汽車用作儲(chǔ)能設(shè)備時(shí)，電池組通過雙向DC-DC和雙向DC-AC變流器將電池的電能回饋至電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)V2G。研究高可靠性、高效率的雙向DC-AC變流器是V2G系統(tǒng)的關(guān)鍵一環(huán)。

圖2 電動(dòng)汽車與充電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

2 幾種典型三相雙向DC-AC變換器

直流微電網(wǎng)和低壓交流配電網(wǎng)交互，電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)的三相雙向DC-AC變流器的典型拓?fù)洳捎萌鐖D3所示電路結(jié)構(gòu)[13-14]。

通常在直流側(cè)接入雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲(chǔ)能電池之間的交互，采用傳統(tǒng)全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)成熟，控制易于實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)運(yùn)用中得到廣泛使用；全橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作在逆變模式時(shí)，通常采用單極性控制實(shí)現(xiàn)全橋逆變，單極性調(diào)制橋臂輸出為三態(tài)電平變化使諧波含量小、波形質(zhì)量提高、濾波器體積減小。全橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作在整流模式時(shí)，為PWM整流器，相比傳統(tǒng)整流橋結(jié)構(gòu)，少一個(gè)二極管管壓降，因此損耗降低。

圖3 傳統(tǒng)三相全橋型雙向變換器

除了傳統(tǒng)全橋雙向變換器之外，研究人員對(duì)具有輸出功率因數(shù)可控、正弦輸入輸出電流、四象限運(yùn)行以及無需儲(chǔ)能大電容單元的矩陣式變流器在V2G系統(tǒng)中的運(yùn)用進(jìn)行了研究[15-16]，矩陣式雙向DC-AC變換器如圖4所示。傳統(tǒng)全橋電路工作在整流模式時(shí)為三相Boost型PWM整流器，母線電壓只能升不能降，實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)能系統(tǒng)互動(dòng)通常需兩級(jí)電路完成；而矩陣式雙向變換器工作在整流模式時(shí)為三相Buck型PWM整流器，可實(shí)現(xiàn)單級(jí)降壓輸出充電。雖然矩陣式變換器能夠?qū)崿F(xiàn)單級(jí)充電，但其相比傳統(tǒng)全橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主橋臂上的開關(guān)管數(shù)量增加一倍，控制相對(duì)復(fù)雜。矩陣式雙向變換器的研究工作主要是針對(duì)其控制策略開展[15-18]，如文獻(xiàn)[16]針對(duì)車用系統(tǒng)中傳統(tǒng)PWM整流器的缺點(diǎn)采用優(yōu)化AV法進(jìn)行控制；文獻(xiàn)[17]為實(shí)現(xiàn)矩陣變流器在全輸出范圍內(nèi)減小充電電流紋波而進(jìn)行分段優(yōu)化調(diào)制。

圖4 雙向AC-DC矩陣式變換器

為解決傳統(tǒng)橋式逆變器同一橋臂開關(guān)管的直通隱患問題，提高變換器的可靠性和傳統(tǒng)電壓型、電流型逆變器存在的不足和局限性可采用Z源逆變器[19-20]。文獻(xiàn)[21]對(duì)Z源逆變器應(yīng)用于電動(dòng)汽車，采用母線電壓提升的控制方式，運(yùn)用到純電動(dòng)汽車的電機(jī)控制中，其電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 雙向Z源變換器

Z源逆變器具備升降壓功能，可適應(yīng)輸入直流電壓大范圍變化，允許同一橋臂直通工作，大大提高了逆變器的可靠性。Z源網(wǎng)絡(luò)與單相逆變器結(jié)合構(gòu)成單相Z源逆變器[22]，雙向功率流的Z源變換器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)逆變電壓的升降而且有效的提高了傳統(tǒng)全橋型雙向變流器的可靠性，無死區(qū)時(shí)間設(shè)定改善了變換器輸出波形質(zhì)量。但該變換器需增加Z源網(wǎng)絡(luò)，變換器的無源器件使用數(shù)量增加、體積增大，且變換器存在附加的Z源網(wǎng)絡(luò)損耗。

3 幾種典型單相雙向DC-AC變換器

功率等級(jí)1的充電設(shè)備通常用圖6的單相全橋電路[7,23]，前級(jí)為Buck-Boost型雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)電池組與母線電壓之間的能量傳遞，后級(jí)由單相雙向全橋型變換器實(shí)現(xiàn)直流母線與交流電網(wǎng)交互。

圖6 單相全橋雙向變換器結(jié)構(gòu)

單相全橋型拓?fù)渚哂腥嗳珮蛲負(fù)湎嗤膬?yōu)點(diǎn)，傳統(tǒng)全橋電路技術(shù)成熟、相匹配的Power IC和控制策略運(yùn)用多，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。

文獻(xiàn)[24]提出如圖7所示的運(yùn)用于一種插電式混合動(dòng)力電動(dòng)車的雙向電能變換器，該變換器實(shí)現(xiàn)了電池組充電模式、電動(dòng)汽車與電網(wǎng)互動(dòng)模式(V2G)以及電動(dòng)汽車與家庭電網(wǎng)互動(dòng)模式(V2H)；在V2G模式中采用比例諧振控制，電容電流反饋+比例諧振控制實(shí)現(xiàn)V2H模式，在V2H中電動(dòng)汽車被用作家庭移動(dòng)式不間斷備用電源(UPS)。

圖7 裂相三橋臂雙向DC-AC變換器

美國家用配電進(jìn)戶為一個(gè)13.2kV轉(zhuǎn)240V/120V裂相分布的變壓器提供，變壓器中心抽頭提供120V交流電供給普通家用負(fù)載，240V交變電供給重型負(fù)載,因此裂相三橋臂雙向DC-AC變換器適用于美國家用電網(wǎng)結(jié)構(gòu)[24]。該變換器由一個(gè)全橋變換器+一個(gè)裂相橋臂組成，同一橋臂開關(guān)管控制需死區(qū)設(shè)定、續(xù)流時(shí)由開關(guān)管體二極管完成。

為減少電動(dòng)車接入電網(wǎng)的諧波污染文獻(xiàn)[25]提出一種如圖8所示的集成了非反轉(zhuǎn)Buck-Boost型雙向DC-DC的多電平雙向AC-DC/DC-AC變換器，該變換器的設(shè)計(jì)用于降低雙向充電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染。這種集成式設(shè)計(jì)的充放電設(shè)備可減少大電流電感的使用，同時(shí)不需要外接物理開關(guān)來切換不同的工作模式，開關(guān)管在整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)進(jìn)行切換時(shí)可正確配置，提高了充放電設(shè)備的安全性。但這種集成結(jié)構(gòu)，很大程度上是以犧牲電路器件使用數(shù)量和成本來實(shí)現(xiàn)的。

圖8 多電平集成式雙向變流器

雙向變換器通常在DC-DC環(huán)節(jié)采用體積小、效率高的高頻變壓器代替了傳統(tǒng)笨重效率低的工頻變壓器進(jìn)行隔離，便于提高整套變流器的效率和減小設(shè)備體積。文獻(xiàn)[26]采用改進(jìn)雙向PWM整流器和雙向DC/DC相結(jié)合得出一種能量受控的雙向AC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并運(yùn)用到鋰電池成品中。文獻(xiàn)[27]的雙向變流器由3個(gè)H橋組合而成與單個(gè)H橋+Buck/Boost構(gòu)成的雙向DC/DC變換器相比器件使用控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本增加。文獻(xiàn)[28]在光伏逆變過程抑制漏電流問題的基礎(chǔ)上提出增加了兩支輔助開關(guān)管的全橋逆變+雙向DC/DC實(shí)現(xiàn)雙向功率流動(dòng)并提高變換效率。為了讓變換器同時(shí)實(shí)現(xiàn)電壓可升可降、PFC、高頻電氣隔離和能量雙向兩流動(dòng)，文獻(xiàn)[29]提出一種適合運(yùn)用于380V直流微電網(wǎng)與電網(wǎng)之間的接口設(shè)備的單級(jí)式隔離三相雙向AC/DC變換器及其控制策略，與傳統(tǒng)三相電壓脈寬調(diào)制整流器相比，不需接入雙向DC-DC變換，單級(jí)電路結(jié)構(gòu)具有功率密度更高的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

雙向DC-AC變換器是微電網(wǎng)母線電壓調(diào)節(jié)和V2G系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，介紹了幾種典型三相、單相雙向DC-AC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了不同運(yùn)用場(chǎng)合時(shí)各拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。三相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多用在微電網(wǎng)和大功率充電機(jī)設(shè)備中，便攜式的車載充電機(jī)節(jié)約成本和體積可采用單相拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。全橋PWM電路結(jié)構(gòu)是雙向變流器的主要運(yùn)用拓?fù)?，可依?jù)傳統(tǒng)橋式雙向DC-AC變換的不足進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，以提高變換效率和可靠性。

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ReviewofBidirectionalDC-ACConverterandItsApplication

LUDe-xiang1,DUWei1,2

(1.Fuzhou University,Fuzhou 350116,China;2.Xiamen Kehua Hengsheng Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China)

The bus voltage control of DC micro-grid and AC/DC hybrid micro-grid is the most important part of micro-grid,the regulation of bus voltage and the interaction between electric vehicle and power-grid system(V2G) are both accomplished by bidirectional DC-AC converter.Several typical three phase bidirectional converters and single phase bidirectional converters are introduced.According to the power level and the applications,the advantages and disadvantages of the conventional bidirectional converter are pointed out,and analyze the disadvantages of the traditional bridge bidirectional DC-AC converter.It can provide a method for the improvement of the bidirectional DC-AC converter's topology.

bidirectional converter;micro-grid;V2G;full bridge circuit

1004-289X(2017)03-0001-04

TM46

B

2016-09-09

盧德祥(1990-)，男，漢，碩士，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)；

杜偉(1983-)，男，漢，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。