面向直流微網的雙向DC-DC變換器研究現狀和應用分析

雷志方 汪 飛 高艷霞 阮 毅

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面向直流微網的雙向DC-DC變換器研究現狀和應用分析

雷志方 汪 飛 高艷霞 阮 毅

（上海大學機電工程與自動化學院 上海 200072）

直流微網是一種連接分布式電源與主電網的微網形式，雙向DC-DC變換器（BDC）作為直流微網中必不可少的接口電路，在直流微網中充當著重要的角色，能夠有效提升分布式電源利用率和直流微網的電能質量。在簡要闡述學者們關于直流微網結構研究成果的基礎上，歸納出了BDC在直流微網中的四方面典型應用。主要呈現了面向直流微網的BDC研究成果，著重分析了直流微網中應用BDC作為接口電路的變換器拓撲選擇。最后，基于研究現狀的分析，結合直流微網的發展趨勢和電力電子關鍵技術對BDC未來的技術發展進行了討論。

直流微網 雙向DC-DC變換器 接口電路 應用分析

0 引言

微網是指以分布式發電技術為基礎，靠分散型資源或用戶的小型電站為主，結合終端用戶電能質量管理和能源梯級利用技術形成的小型模塊化、分散式供能網絡。雖然各國和各大型研究機構對微網的定義因為側重點的不同而略有差異，但其具有相同的基本目標：提高電力安全、保證可靠供電、改善供電品質、利用新能源和提高能源利用效率等[1]。

微網是隨著分布式電源（如太陽電池、燃料電池、風力機、燃氣輪機和沼氣發電等）的發展而發展起來的，是一種有效利用分布式電源的配電形式[1-3]。由于以風能和太陽能為代表的可再生分布式電源可控性差、隨機波動性強，通過微網的形式接入大電網一方面增強了分布式電源的可控性，減小了將分布式電源直接接入大電網而產生的不穩定性，使分布式電源的應用更加靈活高效。另一方面為改善電能質量，提高供電的可靠性提供了巨大潛力[4-6]。

相比交流微網，直流微網由于更加方便于分布式電源的接入（分布式電源產生的電能多為直流電或可經過簡單整流后變為直流電），由于不存在分布式電源間的同步和無功功率流動等問題，且更加高效節能，逐漸引起了更多國內外學者的關注[6]。文獻[1,6-9]詳細地介紹了直流微網概念的產生背景和意義，對比總結了歐洲、美國和日本的直流微網研究現狀及其示范工程，概括性地討論了直流微網研究中的關鍵技術問題。文獻[10-13]主要研究了直流微網中儲能技術和直流母線電壓控制技術。本文將在深入了解直流微網系統結構的基礎上，歸納出雙向DC-DC變換器（Bidirectional DC-DC Converters, BDC）在其中的重要應用，并在總結面向直流微網的BDC研究現狀的基礎上，對其應用特點進行分析。最后對BDC及其面向直流微網的應用進行了總結和對其未來的發展趨勢進行了分析討論。

1 直流微網的系統結構及BDC在其中的應用分類

進入21世紀以來，以美國、日本、韓國和歐洲等國家為代表的研究機構開始了對直流微網的研究，他們的研究主要集中在系統結構、功率變換技術和控制及通信技術方面，而相應的示范工程也都主要以住宅、樓宇和數據中心為應用場合。如圖1所示是融合了國內外研究成果而繪制的直流微網系統結構綜合示意圖，系統主要包括分布式電源、分布式儲能單元、分布式負載和功率變換器等（控制及通信設備在此不予呈現）[14-18]。

圖1所示系統中包含兩種主母線：高壓母線和低壓母線。高壓配電母線既可以是交流母線也可以是直流母線，這由配電網的形式決定。目前比較常用的是高壓交流母線，其電壓等級一般不低于6kV，目前高壓直流母線的研究和應用還比較少，但隨著柔性直流輸電的深入發展，高壓母線采用直流的配電形式引起了學者們的重視，本文在此呈現的是高壓直流母線的配電形式。高壓直流母線的電壓等級會因微網的容量大小而不同，但是在現有的城市配電網中，10kV電壓等級的中壓配電母線長期存在，因此本文建議在直流微網的發展過程中應該有效參考10kV電壓等級和國外比較認可的20kV電壓 等級。

低壓母線的電壓等級及構成形式到目前為止還沒有統一的標準，比較典型的是美國CPES中心的380V和48V雙層直流母線，美國北卡羅來納州立大學構建的FREEDM系統的DC 400V和AC 120V交直流混合母線形式及日本大阪大學提出的DC±170V的雙極性母線結構[14-18]。我國學者在文獻[6]中根據我國的用電需求提出了220V和380V的雙層直流母線結構，既能夠滿足現有大多數低壓家電設備，又能夠滿足越來越多的變頻空調、電冰箱和洗衣機等單相交流負載的用電需求。如圖1所示的直流微網系統結構融合了各國學者的主流思想，構造了包括DC 380V的主母線、DC 380V和DC 48V雙層母線形式以及DC±190V雙極性母線形式[19]。

圖1 直流微網系統結構綜合示意圖

在該結構中高壓母線和低壓母線之間的能量流動是雙向的，這符合未來柔性直流配電網的主要發展趨勢，其中雙向DC-DC變換器融合了高頻隔離技術和鏈式變流技術的智能功率變流器。±190V雙極性直流母線的配電形式是通過在單母線間跨接BDC實現的。BDC在此一方面承擔構造中性線的作用，另一方面又能解決雙極性母線上的負載不平衡問題。

系統還通過BDC接入了不同等級的儲能單元，包括用戶級和系統級，以提高用戶的用電質量和可靠性，改善電網的電能質量。通常，用戶級的儲能單元容量相對較小，可以通過BDC接入低壓直流母線，系統級的儲能單元容量相對較大，可以根據應用需要接入低壓直流母線或者高壓直流母線。

如圖1所示，對于微網中的負載而言，一般的直流負載可以直接從直流母線接入或者通過單向的升降壓電路接入直流母線；對于一般的交流負載，可以通過逆變器接入直流母線；而對于敏感性等特殊負載，可以通過逆變器前置直流變換器實現精確控制或者是實現負載與直流母線之間的電壓匹配；對于一些諸如電梯等具有較大能量回饋的負載，可以通過前置BDC以實現高準確度、寬范圍調速和能量的雙向流動，進而在提高電機負載控制性能的同時提高用電效率。

由此看出單向/雙向直流功率變換器在直流微網系統中起著至關重要的作用，其作為接口電路不僅實現了微網與大電網之間的能量流動，分布式電源和儲能單元的并網接入，也實現了不同類型和不同電壓等級負載的接入。本文主要關注的是直流微網中BDC的應用，結合圖1的系統結構和以上的分析可知在儲能單元和直流母線之間、直流母線與直流母線之間、負載與直流母線之間以及雙極性母線之間，BDC都扮演著重要的角色。

2 BDC在直流微網中的研究現狀和應用分析

目前，國內多數學者關于BDC的研究主要集中在獨立光伏發電系統、燃料電池供電系統、航空電源、電動汽車和不間斷電源等領域，他們根據不同的應用場合提出了眾多的拓撲結構以滿足應用需要，而面向直流微網的BDC應用研究則主要集中在儲能技術方面，且關于BDC的應用形式比較單一。通過圖1所示的直流微網系統結構不難看出，BDC在直流微網中的應用比較廣泛，不僅是在儲能方面，在需要能量雙向流動的高、低壓直流母線之間扮演了不可或缺的角色，在雙極性母線的配電形式下也是必不可少的，同時在能量回饋性負載中具有很大的應用潛力。

2.1 儲能單元接口電路

在微網系統中，電能存儲單元起著至關重要的作用，一方面可以改善可再生能源輸出的不穩定性對電能質量的影響，抑制大電網本身的電壓波動；另一方面可以保障直流微網的供電可靠性，提高電能利用率[4,10-12]。儲能技術的研究是目前微網研究的關鍵，國內外學者在這方面已做了大量的工作。本小節將基于多數學者的研究成果，從應用的角度進行適用性分析。

通常由蓄電池和超級電容組成的多元復合儲能單元的電壓等級不會很高，一般比較常見的在100～300V之間，而電動汽車等動力系統電池電壓等級一般為144V、288V、320V、346V、400V和576V。

從儲能單元的電壓等級角度考慮，當電壓等級低于100V時（直流母線電壓為380V），需要采用高電壓比的BDC來實現直流母線和儲能單元之間的能量流動，這時既可以采用文獻[20-23]中提出的正反激組合式和推挽正激移相式隔離型拓撲（前者雖然結構簡單，但一般只適用于小功率；后者雖然容易實現軟開關控制，但不可避免會出現變壓器偏磁的問題），也可以采用文獻[24]提出的如圖2所示的基于Buck-Boost帶耦合電感的非隔離型BDC拓撲結構來實現大電壓比（雖然該拓撲結構簡單，易實現磁集成，但耦合電感的形式使變換器的控制略微復雜）。考慮到輸入側低壓大電流和直流母線側電壓相對較高的特點，也可以采用推挽全橋組合式的BDC拓撲[21]。

圖2 基于Buck-Boost的帶耦合電感的BDC

當電壓等級在100～300V之間時可以采用如圖3所示比較常見的雙向Buck-Boost拓撲，其具有電路結構簡單、電壓應力小和動態響應快等特點[11,25-27]。也可以采用如圖4所示的基于Buck-Boost交錯并聯BDC拓撲，其能夠有效減小儲能電感的體積，大大降低儲能單元的輸入、輸出電流紋波，進而實現了BDC的小型化和輕量化[28-31]。而在更大功率、更小紋波電流要求的場合，多模塊化的交錯并聯電路才是更好的選擇[29]。

圖3 雙向Buck-Boost變換器

圖4 交錯并聯Buck-Boost BDC

而對于采用較高電壓等級的蓄電池可以采用文獻[32]提出的如圖5所示的基于Buck-Boost三電平BDC，在降低開關管電壓應力的同時，能夠有效減小輸入電流紋波、儲能電感和濾波電容的體積。對于電壓等級較高的大功率動力電池單元（實現V2G概念），從用電安全的角度則推薦使用如圖6所示的雙有源橋式隔離BDC拓撲，隨著SiC和GaN等新型功率半導體的出現，相關此類型及其變形拓撲在高電壓大功率應用方面的研究工作已逐步成熟[33-36]。

圖5 基于Buck-Boost三電平BDC

圖6 雙有源橋式隔離BDC

文獻[37,38]考慮到微網中既有太陽電池和燃料電池等分布式發電單元，還有許多蓄電池和超級電容等儲能單元，提出了如圖7所示的一類多端口磁耦合分布式儲能系統[37]。其中每個實框所示的單元都可以通過基本的Buck-Boost變換器實現與相應直流母線之間的能量流動。如果是分布式發電單元，可以向直流母線提供能量；如果是分布式儲能單元，可以通過Buck-Boost變換器實現與直流母線之間的雙向能量流動。而不同母線之間的能量流動可以通過虛框中的半橋電路來實現。

圖7 多端口磁耦合分布式儲能系統

由于直流微網中分布式能量單元較多，多端口磁耦合的BDC拓撲在此具有明顯的優勢。圖7中不同母線以不同電壓等級接入分布式電源或分布式儲能單元，這樣既可以實現分布式單元與母線的電壓等級匹配、分布式單元和電網電壓的電氣隔離以及分布式儲能單元的能量均衡，也便于實現接口電路的集成化，有效減小功率變換電路的體積和重量。非隔離單元可以采用簡單而又經濟可靠的雙向Buck-Boost電路，隔離單元電路既可以采用半橋電路，也可以采用推挽電路或全橋電路等。

文獻[39]從直流配電網層面提出了適合于分布式電源接入高壓直流電網的接口電路。如圖8所示的基于IBDC鏈式儲能系統中的分布式儲能變換單元（Distributed Energy Storage and Conversion Cell, DESCC）通過圖6所示的雙有源橋式隔離BDC（Dual Active Bridge Isolated BDC，DAB-IBDC）子單元實現了高電壓比、高功率能量雙向傳輸和良好的電氣隔離。而所有的DESCC通過采用鏈式結構的連接形式實現低壓大容量儲能單元和高壓直流母線之間的能量雙向流動，進而在改善電能質量的同時，提高新能源利用率。

本文在此綜合考慮分布式儲能的優勢，結合文獻[5,37,39]提出如圖9所示的基于隔離和非隔離的模塊化混合鏈式儲能系統結構（圖9中的隔離和非隔離單元可以選用不同的BDC拓撲）。在同等指標下，相較于圖8，該儲能系統通過結合使用非隔離的Buck-Boost變換器單元和隔離的雙有源橋式變換器單元可以顯著減小高頻變壓器匝數比，減小漏磁，提升轉換效率。實現能量在儲能單元間的均衡控制，充分利用和保護儲能單元，便于實現系統的模塊化和集成化，進而達到較高的經濟性能指標。

圖8 基于IBDC的鏈式儲能系統

圖9 模塊化混合鏈式儲能系統

2.2 直流變壓器

文獻[9]中提到，在直流配電網中，由于分布式電源的存在，低壓配電母線與高壓配電母線之間的能量交換既可以是單向的也可以是雙向的。而為了充分發揮分布式電源的優勢，實現對電能質量的改善，具有雙向交互功能的直流配電網將是未來的主要發展趨勢。因而目前采用高頻隔離和直流鏈式變流技術來實現高、低壓直流母線間的功率變換已經引起了國內外學者們的廣泛關注[38-43]。

文獻[42]提出了如圖10所示的基于DAB-IBDC高頻隔離直流鏈式變壓器結構。其核心單元是DAB-IBDC型雙向直流變換器，在高壓側DAB- IBDC采用串聯的方式進行分壓，在低壓側DAB- IBDC采用并聯的方式實現大電流工作，進而實現能量在高低壓直流母線之間的雙向流動，若要實現更大功率的能量傳輸可以在高低壓直流母線間掛接更多這樣的鏈式結構來實現。

圖10 基于DAB-IBDC高頻隔離直流鏈式變壓器

文獻[43]結合高頻隔離和多電平技術實現了高電壓比的直流功率變換，通過使用新型高電壓大功率器件SiC實現了電壓24kV/750V轉換，傳輸功率高達270kW。

由上述內容和固態變壓器（Solid State Transformer, SST）的概念可知用于直流母線之間的變壓器會綜合采用多電平技術、鏈式變流技術和高頻隔離技術來實現。到目前為止，有關直流鏈路變壓器的研究還不是很多，多數學者的研究主要集中在基于鏈式結構的單元電路——DAB-IBDC的變形拓撲、控制策略和軟開關實現等方面[33-36]。

2.3 能量回饋性負載接口電路

在直流微網中，直流母線電壓會因為并網、離網或是負載的突然接入或切除而出現波動，這對其他負載是不利的[44]。同時，直流微網中直流母線電壓是一個重要指標，對每一個并入直流母線的微電源都要對其輸出進行控制，從而起到維持直流母線電壓穩定的目的。除了分布式發電單元和儲能單元，能量回饋性負載也可以認為是一個微源（諸如日常生活中的電梯）。因此在直流微網系統中，能量回饋性負載（如帶逆變器驅動的電機負載）可以通過如圖11所示的級聯BDC的基本電機驅動拓撲接入直流母線，以減小母線電壓波動對電機負載的影響，提高電機的控制性能[45-47]。

圖11 級聯BDC的基本電機驅動拓撲

文獻[45-47]通過逆變器前置雙向Buck-Boost電路不僅增強了系統在負載變化時抑制母線電壓波動的能力，也實現了能量的雙向流動。尤其是文獻[47]提出的如圖12所示的級聯Buck-Boost的電機驅動拓撲，其借助于前置的雙向Buck-Boost和后級的逆變器配合控制不僅能夠有效抑制無刷直流電機的三相電流的紋波，抑制轉矩脈動，減小鐵損及提高效率，而且還實現了電機的寬范圍多方式調速和能量的雙向流動。

圖12 級聯Buck-Boost的電機驅動拓撲

文獻[48]提出的如圖13所示的基于DAB的Z源雙向DC-DC變換器是一種基于雙阻抗網絡的雙向全橋DC-DC變換器，其變壓器兩側電路完全對稱，電路上沒有高低壓側之分，變換器的電壓調節既可以通過阻抗網絡，也可以通過高頻變壓器來實現，具有較寬的電壓調節范圍，同時該電路還可以承受橋臂直通，且可靠性高。該電路拓撲可以實現高電壓大功率場合的能量雙向傳輸，因而隨著微網容量等級的提升，在工業級直流微網中，該拓撲可以作為前級電路應用于大功率能量回饋性負載。

圖13 基于DAB的Z源IBDC

圖12所示的雙向級聯式Buck-Boost電路和圖13所示的Z源雙向BDC在單方向上都既可以實現升壓變換也可以實現降壓變換，因而具有較寬的電壓調節范圍。把這種具有較寬電壓調節范圍的BDC作為電機負載的前級電路有利于電機的寬速度范圍調速、直流電壓利用率的提高和電機的平滑制動。總之，在電機驅動電路前級級聯BDC電路不僅可以減小微網直流母線電壓波動對電機負載的影響，提高電機的控制性能，也可以提高用電效率，改善電能質量。

2.4 電壓平衡器

在直流微網中有各種形式的負載，這些負載可以直接接入直流母線或者通過不同形式的變換器接入直流母線，為了便于不同電壓等級的負載接入，文獻[16]提出了雙極性直流母線的配電形式。為了滿足雙極性直流母線供電需要，通常在直流電網進入用戶時接入一個獨立的電壓平衡器來構造一根中性線，以三線制的配電形式進入用戶端，以提高直流微網的靈活性、安全性和可靠性[16-18,49-51]。

圖14a為文獻[49]提出的三電平電壓平衡器，將其變形為如圖14b所示的拓撲，其本質是一個三電平的雙向Buck-Boost變換器。當1＞2時，VT1和VT2作為主開關管，向負載2額外注入一定電流，提供額外的能量；當1＜2時，VT3和VT4作為主開關管，將負載2多余的能量回饋給負載1。從輸入和輸出端口來看，當1＞2時，額外的能量正向流動；當1＜2時，額外的能量反向流動。

（a）

（b）

圖14 三電平電壓平衡器

Fig.14 Three level voltage balancer

文獻[50]對電壓平衡器也進行了深入的研究，并提出如圖15所示的一種雙Buck半橋電壓平衡器，從本質上來講是一個變形的雙向Buck-Boost變換器，使用了兩個電感，避免了圖14中開關管直通問題。文獻[16,51]采用雙向Buck-Boost變換器做為電壓平衡器，實現了正、負極母線與中性線間的電壓平衡，并通過前級的雙向Buck-Boost變換器（穩壓器）抑制前級母線的電壓波動，實現三線制母線的電壓穩定，具體拓撲結構如圖16所示。

圖15 雙Buck半橋電壓平衡器

圖16 前置穩壓器的Buck/Boost電壓平衡器

通過以上分析可以看出應用于電壓平衡器的直流變換器需要滿足能量雙向流動和輸入、輸出極性相反的條件。由此可知將輸入、輸出電壓極性相反的BDC跨接在單極性的直流母線之間，可以實現單極性母線向雙極性母線的轉化，實現兩條直流母線上的電壓平衡。對于高壓直流母線場合（如艦船直流配電系統），建議使用文獻[49]提出的圖14所示的三電平BDC拓撲。對于一般的小容量、低電壓等級的場合，可以使用文獻[16,50,51]提出的如圖15和圖16所示的結構簡單控制方便的BDC拓撲。

3 技術趨勢分析

本文主要闡述了適用于直流微網的BDC研究現狀，并從四個方面進行了應用分析，即儲能單元接口電路、直流變壓器、能量回饋性負載接口電路和電壓平衡器。下面結合現有學術研究成果做出如下的技術趨勢分析。

關于儲能單元接口電路的研究是一大熱點，本文根據儲能單元電壓等級和拓撲的電氣隔離情況繪制了儲能單元接口電路應用選型參考見表1。其中的非隔離型、正激、反激及其相關組合型拓撲一般多適用于中小功率，而在大功率應用場合中可考慮選用DAB-IBDC及其變形拓撲（見圖6）。面向多分布式電源的微網發電系統，集成度較高的三端口或多端口變換器則較為適用。另一方面，在低電壓大電流場合，可結合使用交錯并聯和同步整流技術以提高轉換效率、減小電流脈動和增大功率密度。在高電壓大功率場合，可引入多電平技術和鏈式變流技術以減小開關器件的電壓應力，實現低壓大容量儲能單元和高壓直流母線之間的能量雙向流動，進而滿足柔性直流輸電的需要。

表1 兩端口儲能單元接口電路選擇表

Tab.1 The selection table of two-ports energy storage interfacing circuits

有關高壓直流鏈路變壓器的研究相對較少，主要集中在基于鏈式結構的核心單元電路—DAB-IBDC的變形拓撲、控制策略和軟開關實現的研究，以及單元電路和模塊電路中的均壓和均流控制。拓撲研究最直接的方法是將高壓直流輸電中的電壓換流技術和交流SST中的變換技術應用到直流變壓器中。隨著柔性直流輸電的發展，高壓直流鏈路變壓器會向著融合高頻隔離、多電平、軟開關、模塊化和磁集成技術的方向發展。

雙極性母線的配電形式存在正負極性母線上負載不平衡問題，但不可忽視其方便不同電壓等級負載接入的應用優勢。電壓平衡器作為產生雙極性母線的關鍵部件，其功率等級取決于兩條直流母線與中性線之間的負載不平衡程度，負載不平衡程度越大，電壓平衡器的功率等級越高。故將負載接入三線制母線時應充分考慮負載平衡度與電壓平衡器功率等級的匹配以提高用電效率。關于電壓平衡器的研究，可從拓撲角度考慮將其他具有輸入、輸出極性相反特點的BDC應用于此，進一步深入研究和優化電壓平衡器的拓撲及其控制。

將BDC作為接口電路應用于能量回饋性負載和直流母線之間可以極大改善母線電壓波動對電機負載的影響，也可以有效提高電機的高性能控制和實現制動能量的回收利用。這方面的研究工作已經有了良好的開端，在節能電梯和電動汽車中已獲得了初步應用，并進一步向電機控制低噪聲化、高精準化和節能高效的方向發展。

與此同時，考慮到BDC在微電網中的規模化應用，在系統層面的研究需要關注以下兩個方面。多樣化的BDC接口電路在微網中因為變換器之間的交互而引起的系統不穩定問題需要進行建模分析以及不穩定因素預測，并從微網和BDC不同層面研究應對策略。另一方面，以控制雙向和單向直流變換器工作模式為核心的系統能量管理策略的研究有待深入和優化以增強微網的適應性、可靠性和開放性，進而減緩功率間歇的影響，實現可再生能源的最大化利用。有效應對負載變化、大電網電壓閃絡以及直流微網并網和離網等工況的變化，便于微網的進一步擴展。

4 結論

本文在簡要分析直流微網發展現狀的基礎上，對直流微網的系統結構進行了比較深入的調查研究，總結歸納了直流微網中BDC接口電路的四方面典型應用。文章著力闡述了近期國內外諸多學者面向直流微網的BDC相關研究和應用成果，主要分析了在不同場合下BDC的選擇和應用特點。最后對當前的研究現狀進行了分析，對未來的技術發展特點進行了討論。

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Research Status and Application Analysis of Bidirectional DC-DC Converters in DC Micro-Grids

（Institute of Electrical and Mechanical Engineering and Automation Shanghai University Shanghai 200072 China）

DC micro-grid is a grid form integrating distributed energy systems with utility power systems. As the indispensable interface circuits, bidirectional DC-DC converters (BDC) play an important role in DC micro-grids. It can effectively improve the distributed energy utilization ratio as well as the performance and quality of DC micro-grids. After the brief introduction of DC micro-grid system architectures, the four typical applications of BDC in DC micro-grids are classified and aggregated. This paper concludes the current research achievements, and focuses on the applications of BDC in DC micro-grids. Finally, the future development tends of BDC are discussed on the view of DC micro-grid development trends and the key technologies of power electronics.

DC micro-grids, bidirectional DC-DC converters, interface circuits, application analysis

TM46

國家自然科學基金（51107078），臺達環境與教育基金會《電力電子科教發展計劃》（DREG2012006）和教育部留學回國科研啟動基金資助項目。

2014-10-05 改稿日期 2015-04-11

雷志方 男，1990年生，碩士研究生，研究方向為DC-DC變換器及其在微電網中的應用。E-mail: leizhifang521@163.com

汪 飛 男，1981年生，博士，副教授，研究方向為新能源發電與電能質量控制技術、微電網技術和固態照明驅動。E-mail: f.wang@shu.edu.cn（通信作者）