雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器及其回流功率優(yōu)化控制方法

李江榮，楊向宇

（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著智能配用電系統(tǒng)和可持續(xù)性分布式能源的發(fā)展，直流微電網(wǎng)越來越受到重視。雙極性三線制直流微網(wǎng)繼承了雙線制直流微網(wǎng)的多種優(yōu)點(diǎn)，且可以滿足不同電壓等級的用電設(shè)備以及各種微源的接入，增強(qiáng)了直流微網(wǎng)的靈活性，應(yīng)用較廣泛。

負(fù)載功率的不確定性使得雙極性三線制直流微電網(wǎng)存在直流母線中點(diǎn)電壓不平衡的問題。文獻(xiàn)[3]利用三電平中點(diǎn)鉗位式DC?AC 變流器來平衡母線電壓，但需要交流電網(wǎng)的配合，不適用于獨(dú)立的直流微電網(wǎng)。文獻(xiàn)[4]通過在雙極性母線間增加電壓平衡器來平衡母線電壓，當(dāng)不平衡功率過高時，電壓平衡器的電感電流過高，硬開關(guān)狀態(tài)下的開關(guān)管損耗較高。文獻(xiàn)[5?7]通過電壓平衡器與多組儲能單元構(gòu)建了直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)來平衡母線電壓，但是儲能單元存在過充、過放的問題。

相較于傳統(tǒng)的DAB 變換器，三電平半橋DC?DC 變換器可以降低單側(cè)開關(guān)管電壓的應(yīng)力，有利于選擇低電壓等級、低導(dǎo)通電阻的高性能開關(guān)器件。文獻(xiàn)[9?11]對DC?DC 變換器單重移相控制和雙重移相控制下的功率特性進(jìn)行了分析，得出雙重移相控制具有更大的功率傳輸范圍、更小的回流功率，且容易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。文獻(xiàn)[12?13]在雙重移相控制的基礎(chǔ)上，采用峰值電流優(yōu)化控制，降低了開關(guān)管的電流應(yīng)力和變換器的回流功率。

本文提出一種新型的雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器。首先，通過對變換器進(jìn)行模態(tài)分析，推導(dǎo)出輸出功率、電壓傳輸比與回流功率的數(shù)學(xué)模型，提出最小回流功率追蹤控制方法；其次，設(shè)計變換器電壓傳輸比的切換方法，在滿足正負(fù)極性母線功率輸出和電壓平衡需求的同時進(jìn)一步降低變換器的回流功率，有效地提升變換器工作性能。

1 工作原理

雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中：為中性線；，分別為正負(fù)極母線到中性線的電壓；為輸出電壓；，為分壓電容；為輸出電容；為飛跨電容；變壓器原副邊變比為∶1；S，S，S，S作為開關(guān)切換三電平半橋DC?DC 變換器輸入端與直流母線的連接方式；二極管VD，VD為飛跨電容的電壓平衡二極管。

圖1 雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器結(jié)構(gòu)

表1 所示為的值與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系。

當(dāng)開關(guān)管S～S的導(dǎo)通狀態(tài)為表1 其中之一時，會有一個確定的值，此時雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器可以等效為輸入電壓為的三電平半橋DC?DC 變換器。在雙重移相控制下，工作波形如圖2 所示，其中：S～S，Q～Q為高頻開關(guān)管的驅(qū)動電壓；其中高壓側(cè)的S，S互補(bǔ)，S，S互補(bǔ)，同周期內(nèi)S比S超前（/2）導(dǎo)通，Q，Q導(dǎo)通狀態(tài)相同，與Q，Q互補(bǔ)，同周期內(nèi)S比Q超前（2）導(dǎo)通；，分別為變壓器高壓側(cè)與低壓側(cè)電壓；u為電感電壓；為一個開關(guān)周期；i為電感電流。

表1 Uin的值與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系

圖2 三電平半橋DC?DC 變換器工作波形

2 最小回流功率追蹤及電壓傳輸比切換控制

通過對變換器的工作模態(tài)進(jìn)行分析，根據(jù)圖2 和電感的伏秒平衡原理，得出一個開關(guān)周期內(nèi)各時刻電感電流表達(dá)式為：

式中：i()表示電感在時刻的電流值；，表示移相比；表示開關(guān)頻率。

定義電壓傳輸比=(2)，計算得變換器輸出功率和回流功率為：

當(dāng)移相比=0，=0.5 時，輸出功率有最大值，功率基準(zhǔn)值取得最大值的表達(dá)式為：

則輸出功率和回流功率標(biāo)幺值為：

將式（4）中回流功率標(biāo)幺值的移相比用和代入后，對進(jìn)行導(dǎo)數(shù)分析，得到變換器的最小回流功率變化區(qū)域與輸出功率、電壓傳輸比的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 最小回流功率變化區(qū)域與輸出功率、電壓傳輸比的關(guān)系

從圖3 中可以看出，在回流功率減小區(qū)一，最小回流功率隨著傳輸功率的增大而減小，當(dāng)回流功率取得最小值時，移相比，為：

在回流功率減小區(qū)二，最小回流功率隨著傳輸功率的增大而減小，當(dāng)回流功率取得最小值時，移相比，為：

在無回流區(qū)域內(nèi)，最小回流功率為0，此時移相比，為：

在回流功率增大區(qū)，最小回流功率隨著傳輸功率的增大而增大，當(dāng)回流功率取得最小值時，移相比，為：

聯(lián)立式（2）、式（5）～式（8）得到電壓傳輸比、輸出功率與最小回流功率的關(guān)系，如表2 所示。

表2 雙重移相控制下的最小回流功率Qmin、輸出功率P與電壓傳輸比k 關(guān)系

當(dāng)輸出電壓=40 V，開關(guān)頻率=50 kHz，電感=3 μH 時，改變電壓傳輸比可得到輸出功率與最小回流功率的關(guān)系，如圖4 所示。從圖4 中可以看出，對于不同的電壓傳輸比，最小回流功率曲線都有交點(diǎn)。當(dāng)輸出功率低于交點(diǎn)位置傳輸功率時，電壓傳輸比越大，回流功率越大；當(dāng)輸出功率高于交點(diǎn)位置輸出功率，電壓傳輸比越小，回流功率越小。因此對于確定的輸出功率，在最小回流功率追蹤控制的基礎(chǔ)上，可以通過切換電壓傳輸比進(jìn)一步降低回流功率。

圖4 雙重移相控制下的變換器輸出功率與最小回流功率的關(guān)系曲線

當(dāng)輸出電壓為時，三電平半橋DC?DC 變換器的輸入電壓與電壓傳輸比成正比，因此可以通過切換開關(guān)管S～S狀態(tài)，改變電壓傳輸比。

根據(jù)圖4，假設(shè)電壓傳輸比為與2時，輸出功率與最小回流功率曲線有理論值交點(diǎn)為（，）。定義|-|為正負(fù)極性母線與中性線之間的不平衡功率。

當(dāng)變換器輸出功率低于 |-|時，切換開關(guān)管S～S，使變換器接入高功率母線與中性線之間，提高兩線間負(fù)載輸出功率，一定程度上可以平衡母線電壓；當(dāng)變換器輸出功率高于 |-|但低于時，變換器同樣接于高功率母線與中性線之間，在輸出功率小于2|-|的情況下平衡母線電壓，且變換器工作于低電壓傳輸比狀態(tài)，回流功率更?。划?dāng)變換器輸出功率高于 |-|且高于時，變換器接于正負(fù)極直流母線之間，大負(fù)載接入不會造成正負(fù)極母線電壓不平衡，且可以通過提高變壓器輸入電壓來提高電壓傳輸比值，從而降低變換器的回流功率，提高功率輸出性能。變換器控制框圖如圖5 所示。

圖5 變換器控制框圖

根據(jù)正負(fù)極母線電壓電流，，，和輸出電壓電流，，可計算出正負(fù)極不平衡功率 |-|、變換器輸出功率和理論值交點(diǎn)輸出功率，進(jìn)行比較即可得出開關(guān)管S～S的開關(guān)狀態(tài)和電壓傳輸比。通過參考電壓減去實(shí)際電壓，再經(jīng)過PI 參數(shù)調(diào)節(jié)可得到輸出功率的參考值，與電壓傳輸比共同進(jìn)行最小回流功率追蹤控制，即可得到對應(yīng)的移相比，。最后經(jīng)過脈沖調(diào)制控制三電平半橋電路的開關(guān)管。

3 仿真分析

在Matlab/Simulink 中構(gòu)建雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器仿真模型，仿真參數(shù)如表3 所示，正負(fù)極母線用恒壓電壓源，串聯(lián)電阻，替代。

表3 仿真參數(shù)

在工況一中，控制方式采用最小回流功率追蹤控制。改變輸出功率，使得所提變換器輸出功率從20 W提升至180 W，得到的正負(fù)極母線電壓如圖6 所示。由圖6 中可看出，隨著變換器輸出功率的增大，正負(fù)極母線電壓趨于平衡。在正負(fù)極母線電壓已經(jīng)不平衡的情況下，小功率負(fù)載的接入可以平衡正負(fù)極母線電壓。

圖6 工況一正負(fù)極母線電壓的變化曲線

在工況二中，控制方式采用最小回流功率追蹤控制，改變輸出功率，使得所提變換器輸出功率從20 W 提升至180 W，得到的正負(fù)極母線電壓如圖7a）所示。相同工況下，將所提變換器替換成單輸入三電平半橋DC?DC 變換器，在相同的輸出功率下，得到的正負(fù)極母線電壓如圖7b）所示。

圖7 工況二正負(fù)極母線電壓的變化曲線

由圖7 可知：當(dāng)輸出功率低于100 W 時，負(fù)載接單輸入變換器和雙輸入變換器的母線電壓基本相同，隨著輸出功率增大，正極母線電壓降低，負(fù)極母線電壓保持不變；當(dāng)變換器輸出功率高于100 W 時，接雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器的正負(fù)極母線電壓趨于相等，而對于接單輸入三電平半橋DC?DC 變換器的直流母線，正負(fù)極母線電壓差隨著輸出功率的增大而繼續(xù)增大。綜上可得，在較大負(fù)載接入的情況下，雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器可以保持正負(fù)極母線電壓平衡。

圖8 為工況一、工況二采用最小回流功率追蹤控制，以及工況一采用基于峰值電流優(yōu)化控制的雙重移相優(yōu)化控制的回流功率曲線對比。

圖8 輸出功率與回流功率的關(guān)系曲線

由圖8可知：在工況一，當(dāng)變換器輸出功率高于80 W時，采用最小回流功率追蹤控制比采用基于峰值電流優(yōu)化的雙重移相控制有更低的回流功率；而在工況二，控制方式為最小回流功率追蹤的情況下，變換器的回流功率在變換器輸出功率高于120 W 時能進(jìn)一步降低。結(jié)合圖7、圖8 可以得出，切換電壓傳輸比可以在平衡母線電壓的同時，進(jìn)一步降低變換器的回流功率。

4 結(jié)論

本文針對雙極性直流微電網(wǎng)，提出一種新型的雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器，建立輸出功率、電壓傳輸比和回流功率的數(shù)學(xué)模型。并在此基礎(chǔ)上提出一種電壓傳輸比可切換的最小回流功率追蹤控制方法，通過Matlab/Simulink 驗(yàn)證理論分析的正確性。仿真結(jié)果表明，所提變換器以及控制方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）雙輸入三電平半橋DC?DC 變換器可以利用小功率負(fù)載的接入平衡雙極性直流微電網(wǎng)的正負(fù)極母線電壓，并且在較大負(fù)載接入時可以保持正負(fù)極母線電壓平衡。

2）最小回流功率追蹤控制相對于常規(guī)的基于電感峰值電流優(yōu)化的雙重移相控制，能夠在較大功率傳輸時進(jìn)一步降低回流功率。

3）通過切換電壓傳輸比，在平衡正負(fù)極母線電壓的同時，可以在最小回流功率追蹤控制的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化回流功率。