基于全橋隔離雙向變換器的直流變換技術

師長立 唐西勝 李寧寧 張國偉 孫玉樹

（中國科學院電工研究所 北京 100190）

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基于全橋隔離雙向變換器的直流變換技術

師長立 唐西勝 李寧寧 張國偉 孫玉樹

（中國科學院電工研究所 北京 100190）

摘要針對全橋隔離雙向變換器移相角調節范圍選取問題進行了深入研究。根據同一傳輸功率下變換器電流應力最小原則，確定了移相角調節范圍。針對變換器采用全橋移相控制方式時，產生無功環流的問題進行了定量分析，研究了無功功率的變化規律。基于全橋隔離雙向變換器，提出了變開關頻率的蓄電池最優充放電管理方案，提高了變換器充放電效率，同時延長了蓄電池使用壽命。最后，搭建了2.5kW實驗平臺并進行了相關實驗，實驗結果驗證了以上理論分析的正確性。

關鍵詞：移相角 無功環流 無功功率 充放電管理方案

國家高技術研究發展計劃（863計劃）（2014AA052002），中科院知識創新工程重要方向項目（KGCX2-EW-330）和國家電網公司科技項目（SGSHJY00BGJS1400221）資助。

0 引言

近年來隨著以太陽能、風能為代表的新能源產業的興起，作為新能源利用的有效形式，直流母線式微電網越來越得到國內外學者的關注[1]。如圖1所示，由于采用了直流母線結構，直流微電網不存在相位、頻率等問題，解耦容易，控制難度相對較小。由于太陽能、風能等新能源發電具有間歇性，為了最大限度利用新能源，同時平抑新能源發電引起的能量波動，減小對電網的沖擊，系統需要配備儲能環節。為實現直流母線與儲能環節的雙向流動，雙向DC-DC變換器是系統必不可少的環節。在眾多雙向DC-DC變換器中，全橋隔離雙向變換器以其突出的優點引起了大家的關注。全橋隔離雙向變換器采用高頻變壓器實現電氣隔離，由于取代了工頻變壓器，減少了設備的重量與體積，提高了設備的功率密度。采用全橋移相控制方式，可以很方便地實現軟開關功能，提高系統工作效率。全橋隔離雙向變換器屬于典型“一機兩用”型系統，提高了設備整體的利用率。

圖1　直流母線式微電網示意圖Fig.1 Structure of micro-grid with DC bus

國內外學者針對全橋隔離雙向變換器進行了大量研究。為消除變換器的無功環流，文獻[2]采用了單側雙移相策略，降低了變換器的無功功率含量，提高了變換器的工作效率，但文獻中沒有給出實現單側雙移相策略的具體控制方式，有待進一步研究。文獻[3]采用雙側雙移相控制策略，降低了變換器的無功環流以及開關器件的電流應力，提高了變換器的工作效率，該控制策略需要同時改變高頻變壓器兩側四個橋臂的相位，控制相對復雜，不易實現且對控制器要求較高。文獻[4]采用PWM加移相控制策略，提高了工作效率，其控制效果與文獻[3]類似，同樣存在控制復雜且不易實現的問題。文獻[5]對短時間傳輸過程對變換器的工作影響進行了分析，并未對變換器的無功問題進行研究。文獻[6]綜合分析了各種移相控制策略，提出了變換器優化控制策略，提高了系統效率，但所提控制策略過于復雜，不易實現。

本文針對全橋隔離雙向變換器采用移相控制策略時，移相角調節范圍對變換器的影響進行了研究，確定了合理的移相角調節范圍，降低了開關器件的電流應力與變換器損耗。針對系統無功環流及無功功率問題進行了分析，確定了其變化規律。針對全橋隔離雙向變換器的工作特點，提出了變開關頻率的蓄電池充放電管理方案，提高了變換器的效率，同時延長了蓄電池的使用壽命。

1 全橋隔離雙向變換器移相角區間選取

全橋隔離雙向變換器如圖2所示，其工作原理如圖3所示，變換器通過控制橋臂，使V1與NV2產生一定的移相角，通過給電感L1充放電實現能量的雙向流動。

圖2　全橋雙向隔離變換器結構Fig.2 Structure block of DAB converter

圖3　移相控制算法主要波形Fig.3 Main waveforms of phase-shift control變換器傳輸功率與移相角的關系為[7]

式中，P為傳輸功率；fs為變換器開關頻率；?為移相角；N為變壓器電壓比。

圖4　輸出功率與移相角關系曲線Fig.4 Relation curve of output power with phase-shift angle

傳輸功率與移相角的關系曲線如圖4所示，當功率正向流動時，移相角調節范圍為[0,π]；功率反向流動時，移相角調節范圍為[-π,0]。以功率正向流動為例，從功率傳輸角度看，移相角區間[0,π/2]與[π/2,π]的傳輸功率效果相同。移相角處于[0,π/2]區間，傳輸功率隨著移相角的增加而增加；移相角處于[π/2,π]區間時，傳輸功率隨著移相角的增加而減少。下面從電流應力與無功功率角度分析移相角在[0,π/2]與[π/2,π]區間的區別。

1.1 變換器電流應力分析

如圖3所示，在不影響電感電流變化趨勢的前提下，忽略短時間工作狀態。電感電流iL1分四個主要的工作狀態，分別為：工作狀態1[0,? ]、工作狀態2[?,π]、工作狀態3[π,π＋?]和工作狀態4[π＋?,2π]。各工作狀態的工作原理如圖5所示，通過改變電感兩端電壓源極性來改變電感L1電流的大小與方向，從而實現能量傳遞，電感電流iL1可由式（2）表示。

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圖5　全橋隔離雙向變換器工作狀態原理Fig.5 Working principle diagram of DAB converter

由式（2）可得電感電流初始值I0為

式（2）與式（3）聯立可得iL1的峰值Imax為

Imax相對?的變化曲線如圖6所示，由圖可知,電流峰值隨移相角的增加而增加。變換器傳輸相同功率時，移相角選在不同移相區間，電流峰值之間的差值ΔImax可由式（5）表示，ΔImax相對于?的變化曲線如圖7所示。由式（4）與式（5）可得出結論：在功率傳輸效果相同的情況下，變換器移相角區間選在[0,π/2 ]所產生的電流峰值比移相角區間選在[π/2,π]小，電流峰值的差值隨移相角的增加而減小，因此全橋隔離雙向變換器在采用移相控制策略時，選擇[0,π/2]作為移相角調節范圍，可有效降低系統電流峰值，減小開關器件的電流應力，降低系統損耗。

圖6　Imax-? 變化曲線Fig.6 Change curve of Imaxwith ?

圖7　ΔImax-? 變化曲線Fig.7 Change curve of ΔImaxwith ?

利用Matlab軟件仿真驗證理論分析的正確性,如圖8和圖9所示。圖8對應的仿真參數如下：低壓側電壓36V，高壓側電壓360V，移相角π/4，開關頻率10kHz。圖9對應的仿真參數如下：低壓側電壓36V，高壓側電壓360V，移相角3π/4，開關頻率10kHz。對比以上仿真波形，變換器傳輸功率相同，移相角為π/4時的電感電流峰值明顯小于移相角為3π/4的電感電流峰值，驗證了以上理論分析的正確性。

圖8　移相角為π/4時DAB變換器仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of DAB converter with phase-shift angle of π/4

圖9　移相角為3π/4時DAB變換器仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of DAB converter with phase-shift angle of 3π/4

1.2 變換器無功功率分析

如圖3所示，電壓V1與電感電流iL1相位并不是時刻相同，當V1與iL1反相時，能量會發生“倒灌”現象，形成無功環流。

變換器電流為

聯立式（6）和式（7），可得

式中，Pb為變換器無功功率；Ts為變換器開關周期；T?為移相角?等效時間。

研究移相角變化對無功功率的影響。圖10為無功環流相對于移相角的變化曲線，無功功率隨移相角的增加而增加。圖11為無功功率相對于輸入端電壓的變化曲線，無功功率隨輸入電壓V1增加而增加。由以上分析可知，當移相角區間在[0,π/2]時，變換器無功功率明顯小于[π/2,π]區間。無功功率隨移相角與端電壓的變化而變化。因此，在設計全橋隔離雙向變換器時，除了考慮有功功率外，還需考慮無功環流對變換器的影響。

圖10　Pb-T?變換曲線Fig.10 Change curve of Pbwith T?

圖11　Pb-V1變換曲線Fig.11 Change curve of Pbwith V1

分析開關周期Ts對無功功率的影響。當變換器傳輸功率較小時，變換器中存在大量的無功功率，將T?＝0代入式（8）可得

由式（9）可知，當全橋隔離雙向變換器電壓V1≠ NV2時，變換器中含有無功功率，且無功功率的含量與變換器開關周期成正比，即與變換器開關頻率fs成反比。

2 變開關頻率蓄電池充放電管理方案

由以上分析可知，全橋隔離雙向變換器中無功功率的含量與變換器開關頻率成反比，即開關頻率越高，變換器無功功率含量越低。由式（1）可知，變換器傳輸的有功功率同樣與開關頻率有關，開關頻率越大，變換器傳輸的最大有功功率越小。蓄電池充放電是全橋隔離雙向變換器的主要應用方式之一，為降低蓄電池充放電時，變換器的無功功率含量，同時又不降低變換器傳輸有功功率的能力，本文提出基于全橋隔離雙向變換器的變開關頻率蓄電池充放電管理方案，具體控制方法如圖12所示。

圖12　蓄電池充放電狀態機Fig.12 State machine of battery charging and discharging

首先，全橋隔離雙向變換器設定兩種工作模式：充電模式與放電模式。

變換器工作在充電模式時，設定四種工作狀態。工作狀態1：最大功率充電狀態，變換器開關頻率；工作狀態2：恒流充電狀態，變換器開關頻率；工作狀態3：恒流充電狀態，變換器開關頻率；工作狀態4：恒壓充電狀態，變換器開關頻率。其中，開關頻率值具體值根據變換器的傳輸功率，由式（1）確定；具體值根據變換器無功功率，由式（9）確定。控制器采集蓄電池的荷電狀態（State of Charge,SOC）確定變換器的工作狀態。當時，變換器處于工作狀態1；當時，變換器處于工作狀態2；當時，變換器處于工作狀態3；當時，變換器處于工作狀態4。蓄電池充電時，變換器根據蓄電池荷電狀態的變化，自動轉換工作狀態，在不影響變換器有功功率傳輸效率的前提下，降低了變換器的無功功率含量，減小了相應的損耗，提高了充電效率。

變換器工作在放電模式時，設定三種工作狀態。工作狀態1：最大功率放電狀態，變換器的開關頻率；工作狀態2：恒功率放電狀態，變換器開關頻率；工作狀態3：恒功率放電狀態，變換器開關頻率。為降低變換器充放電控制策略復雜度，開關頻率值X2、X1與充電模式開關頻率取值相同。控制器采集蓄電池荷電狀態，判斷變換器相應的工作狀態。當給定輸出功率大于變換器最大輸出功率且，變換器處于工作狀態1；當給定輸出功率小于變換器最大輸出功率、大于最小輸出功率并且，變換器處于工作狀態2；當給定輸出功率小于最小輸出功率且變換器處于工作狀態3。變換器根據給定輸出功率的不同，在各工作之間進行切換。當蓄電池SOC≤時，不論變換器工作在何種狀態，控制器均控制變換器停機，防止蓄電池過放電。所提放電狀態機在不影響輸出功率的前提下，降低了變換器無功功率的含量，提高了變換器的效率。

3 實驗分析

為驗證以上理論分析的正確性及所提充放電管理方案的合理性，在實驗室搭建2.5kW實驗平臺進行驗證，變換器主控芯片采用TMS320F28335，實驗平臺主要參數見表1。

按所提蓄電池充放電管理方案進行蓄電池的充放電實驗。以蓄電池放電為例，如圖13所示，小功率放電時，系統中無功功率占比較大，對比圖13a和圖13b可發現，開關頻率為10kHz時電感電流峰值明顯比開關頻率為5kHz時小得多，因此，提高變換器開關頻率可有效降低系統無功功率，提高系統效率，蓄電池充電波形與之類似，如圖14所示。實驗波形驗證了所提充放電管理策略的可行性與有效性。

圖13　不同開關頻率系統主要輸出波形Fig.13 Main experiment waveforms of system with different switching frequency

圖14　不同移相角范圍主要實驗波形Fig.14 Main experiment waveforms with different phase shift angle

4 結論

本文從電流應力及無功功率的角度出發，分析了全橋隔離雙向變換器的移相角調節范圍問題，仿真與實驗結果表明，[0,π/2]移相區間與[π/2,π]移相區間相比電流應力更小，無功功率含量更少。針對全橋隔離雙向變換器應用于蓄電池充放電時所存在的問題，提出了變開關頻率的充放電管理方案，并設計了蓄電池充放電狀態機。實驗結果表明，所提充放電管理方案，可有效降低變換器無功功率含量，并延長蓄電池使用壽命。

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師長立 男，1984年生，碩士，助理研究員，研究方向為直流微電網及其關鍵技術。

E-mail:shichangli@mail.iee.ac.cn（通信作者）

唐西勝 男，1976年生，副研究員，碩士生導師，研究方向為直流微電網及其關鍵技術。

E-mail:tang@mail.iee.ac.cn

DC Changing Technologies Based on Dual-Active-Bridge Converter

Shi Changli Tang Xisheng Li Ningning Zhang Guowei Sun Yushu
（Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100190 China）

AbstractThis paper studied the phase-shift angle selection of dual active bridge（DAB）converter.The adjustable range of the phase-shift angle is classified to ensure the current stress of DAB is minimized in condition of the identical transmission power.The reactive circulating current of the converter with phase-shift control is quantitatively analyzed,and the changing characteristics of the reactive power are researched.The battery charging and discharging management scheme using variable switching frequency DAB is proposed,to improve the efficiency of the converter and prolong the lifetime of battery.At last,a 2.5kW experimental platform is established and the experimental results prove the correctness of the theoretical analysis.

Keywords：Phase-shift angle,reactive circulating current,reactive power,charging and discharging management scheme

作者簡介

收稿日期2014-02-17 改稿日期 2014-07-03

中圖分類號：TM46