一種適用于分布式發(fā)電的雙向DC/DC變換器研究*

馮 斌，呂金歷，張中丹，馮智慧，白望望，崔 炎

(1.西北電力設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075； 2.國網(wǎng)甘肅省電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

近年來，受環(huán)境保護和能源危機的雙重壓力，以太陽能光伏、風能為代表的分布式發(fā)電系統(tǒng)呈現(xiàn)出快速發(fā)展勢頭，受到行業(yè)內(nèi)研究學者的高度關(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?，如何充分高效地利用這些清潔能源也已成為當前的研究熱點問題之一。

由于光伏、風電、燃料電池等清潔能源自身沒有能量儲存的功能，因此當前普遍采用帶有儲能功能的復(fù)合分布式發(fā)電系統(tǒng)[3]，它由光伏、風電、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、逆變器和負載等組成[4]，分布式電源和蓄電池分別通過單向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逆變器轉(zhuǎn)換為額定交流電供給電網(wǎng)或者負載。在該復(fù)合分布式發(fā)電系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器扮演著實現(xiàn)能量雙向流動的重要角色。目前應(yīng)用最多的電路拓撲為傳統(tǒng)Buck/Boost雙向DC/DC變換器，通過采用開關(guān)管替代Buck變換器中的續(xù)流二極管，從而實現(xiàn)能量的雙向流動，該變換器具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性強等優(yōu)點，在當前的燃料電池供電系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)和分布式發(fā)電儲能系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[5]，但該電路存在如下缺點。

(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較高時開關(guān)管選型較為困難。

針對傳統(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。

1 新型拓撲的提出

研究學者針對升壓型DC/DC變換器和降壓型DC/DC變換器分別進行了廣泛深入的研究，已提出了多種不同類型的變換器拓撲結(jié)構(gòu)[6-8]，相比而言，雙向DC/DC變換器拓撲的研究報道相對較少，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，因此可以借鑒研究學者已提出的升壓型和降壓型DC/DC變換器拓撲的思路來構(gòu)建新型雙向DC/DC變換器拓撲。

圖1為文獻[7]、[8]中分別用來構(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，當開關(guān)管S1、S2同時導(dǎo)通時，電感L1和L2并聯(lián)充電；開關(guān)管S1、S2關(guān)斷時，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”實現(xiàn)升壓功能，文獻[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，當二極管D1和D2導(dǎo)通時，電感L1和L2并聯(lián)放電，二極管D1和D2截止時，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”來實現(xiàn)降壓功能，同樣文獻[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，結(jié)合圖1中的升壓型有源網(wǎng)絡(luò)和降壓型無源網(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。需要說明的是，如果在繪制原理圖時考慮到開關(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工作模態(tài)中并不參與工作，有沒有反并聯(lián)體二極管對變換器的正常工作并不影響，而圖3(a)所示的拓撲結(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)更強調(diào)的是具有能量雙向流動的功能。

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變換器拓撲，如圖3(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)電中的儲能系統(tǒng)為例進行闡述，UL表示儲能電池端電壓，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，當工作在Boost升壓模式下時蓄電池通過雙向DC/DC變換器提升電壓等級，為右側(cè)的直流母線提供能量，同時保持直流母線電壓的穩(wěn)定。當變換器工作在Buck降壓模式時，從直流母線通過雙向變換器降壓為蓄電池進行充電，由此來實現(xiàn)能量的雙向流動。

為了簡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

在一個工作周期TS內(nèi)，連續(xù)導(dǎo)電模式包含兩個基本工作模態(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。此時電感L1，L2并聯(lián)在蓄電池兩端進行充電，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對電容CH進行充電，并對直流母線提供能量，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，在一個周期TS內(nèi)，連續(xù)工作模式同樣包含兩個基本工作模態(tài)等效電路如圖5(c)和(d)所示，具體工作過程分析如下。

(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)。此時高壓側(cè)電源UH與電感L1，L2串聯(lián)對電容CL和蓄電池進行放電，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)。此時電感L1，L2并聯(lián)對電容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，均可實現(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)換比對比

3.2 開關(guān)器件電壓應(yīng)力

當變換器工作在Boost模式下時，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)

當變換器工作在Buck模式下時，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中搭建仿真模型進行驗證分析，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，蓄電池低壓側(cè)電壓端電壓為95 V，經(jīng)過雙向DC/DC變換器后升壓到378.5 V，實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，當開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通時，電感電流線性增加，開關(guān)管S1、S2關(guān)斷時，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，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

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更強的升壓和降壓能力，能夠避免極端占空比而實現(xiàn)大變比的升降壓功能。