一種適用于分布式發電的雙向DC/DC變換器研究*

馮 斌，呂金歷，張中丹，馮智慧，白望望，崔 炎

(1.西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075； 2.國網甘肅省電力公司經濟技術研究院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

近年來，受環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電系統呈現出快速發展勢頭，受到行業內研究學者的高度關注[1-2]。伴隨著智能電網和信息技術的不斷突破，分布式發電在能源領域將扮演更加重要的角色，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合分布式發電系統[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換為額定交流電供給電網或者負載。在該復合分布式發電系統中，雙向DC/DC變換器扮演著實現能量雙向流動的重要角色。目前應用最多的電路拓撲為傳統Buck/Boost雙向DC/DC變換器，通過采用開關管替代Buck變換器中的續流二極管，從而實現能量的雙向流動，該變換器具有結構簡單，可靠性強等優點，在當前的燃料電池供電系統、UPS系統和分布式發電儲能系統中得到廣泛應用[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，開關器件難以避免極端占空比狀態，不利于變換器效率的提高。

(2) 開關管的電壓應力為高壓側輸入電壓UH，UH較高時開關管選型較為困難。

針對傳統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上，提出一種新型大變比雙向DC/DC變換器設計。

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構[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]中分別用來構建升壓型和降壓型DC/DC變換器所提出的開關電感網絡，圖1(a)所示的開關電感有源網絡由電感L1、L2和開關管S1、S2構成，具體的工作原理如圖2(a)和(b)所示，當開關管S1、S2同時導通時，電感L1和L2并聯充電；開關管S1、S2關斷時，電感L1和L2串聯放電，利用電感L1和L2“并聯充電和串聯放電”實現升壓功能，文獻[7]中利用該網絡構建出一種新型升壓型DC/DC變換器。圖2(b)所示開關電感網絡由電感L1、L2和二極管D1、D2構成，當二極管D1和D2導通時，電感L1和L2并聯放電，二極管D1和D2截止時，電感L1和L2串聯充電，與圖2(a)的有源網絡恰好相反，該網絡利用電感L1和L2“串聯充電和并聯放電”來實現降壓功能，同樣文獻[8]中利用該網絡構建出新型降壓型DC/DC變換器。

圖1 兩種開關電感網絡

圖2 開關電感網絡工作原理

在制造工藝上，開關管MOSFET和IGBT都自身集成帶有反并聯體二極管，利用器件的該特點，結合圖1中的升壓型有源網絡和降壓型無源網絡可以構建出一種雙向開關電感網絡結構，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管的反并聯二極管，圖1(a)所示的升壓型有源網絡結構和圖3(a)所示給出的雙向開關電感有源網絡的結構是相同的，但在升壓型有源網絡中反并聯體二極管在變換器整個工作模態中并不參與工作，有沒有反并聯體二極管對變換器的正常工作并不影響，而圖3(a)所示的拓撲結構中的二極管在降壓模式下是參與導電工作的，缺少該二極管，變換器將不能正常工作，該網絡結構更強調的是具有能量雙向流動的功能。

利用雙向開關電感網絡結構可以構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代表低壓側端電壓，UH為高壓側端電壓，電容CL和CH為低壓側和高壓側的濾波電容。S1-S3為開關管，D1-D3分別為開關管S1-S3的反并聯體二極管。

圖3 新型雙向DC/DC變換器

2 工作原理分析

以分布式發電中的儲能系統為例進行闡述，UL表示儲能電池端電壓，CH表示直流母線側端電壓。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，為右側的直流母線提供能量，同時保持直流母線電壓的穩定。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：所有功率開關器件均為理想器件，不考慮寄生參數的影響；電感L1，L2為同一規格，大小相等；變換器工作在電感電流連續導電 (continuous conduction mode, CCM)模式，在一個完整工作周期內，電感電流不斷流。

2.1 Boost升壓模式

在一個工作周期TS內，連續導電模式包含兩個基本工作模態，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1[t0,t1]:開關管S1和S2導通，S3關斷，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2[t1,t2]:開關管S1-S3關斷，二極管D3導通，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)

在一個開關周期中，結合式(1)和式(2)，根據電感伏秒平衡，可得：

(3)

聯立式(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，連續工作模式同樣包含兩個基本工作模態等效電路如圖5(c)和(d)所示，具體工作過程分析如下。

(1) 模態1[t0,t1]:開關管S3導通，S1和S2關斷，二極管D1-D3截止，此階段變換器的等效電路如圖4(c)。此時高壓側電源UH與電感L1，L2串聯對電容CL和蓄電池進行放電，電感L1和L2串聯充電，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2[t1,t2]:開關管S1-S3關斷，二極管D1和D2導通，D3截止，變換器的等效電路如圖4(d)。此時電感L1，L2并聯對電容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)

在一個開關周期中，結合式(5)和式(6)，根據電感伏秒平衡，可得：

(7)

聯立式(7)中的方程，可得：

(8)

3 電路特性討論

3.1 電壓轉換比

由式(4)、(8)可知，新型的雙向DC/DC變換器工作在Boost和Buck模式下的電壓轉換比為：

(9)

圖5給出了文中所提雙向DC/DC變換器與傳統Buck/Boost雙向變換器在電壓轉換比性能的對比，從圖5(a)和(b)中可看出所提變換器較傳統Buck/Boost變換器在相同占空比時，均可實現更高的升壓比或降壓比。在輸入輸出電壓變換比大的場合，開關管可避免極端占空比狀態，有利于變換器效率的提升。

圖5 電壓轉換比對比

3.2 開關器件電壓應力

當變換器工作在Boost模式下時，開關管S1和S2的電壓應力相等，均為蓄電池和電感L2端電壓之差，即：

(10)

開關管S3的體二極管的電壓應力為輸出直流母線側電壓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S3的電壓應力，均為蓄電池和電感L2端電壓之和，即：

uS3=UH+uL2=UH+UL

(12)

開關管S1和S2的體二極管電壓應力相等，均為直流母線側電壓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，具體仿真參數如表1所列。

表1 仿真模型參數

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，蓄電池低壓側電壓端電壓為95 V，經過雙向DC/DC變換器后升壓到378.5 V，實際升壓增益與理論推導公式(4)基本吻合，變換器在避免極大占空比的情況下實現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，當開關管S1、S2導通時，電感電流線性增加，開關管S1、S2關斷時，電感電流線性減小。從圖中可以看出開關管S1和S2的電壓應力接近237 V，這與理論推導公式(10)相吻合，開關管S1和S2的電壓應力較低。

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，高壓側電壓為380 V時，蓄電池低壓側電壓輸出約為95.5 V，與理論推導公式(8)相吻合，變換器在避免了極小占空比的情況下實現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，開關管S3的電壓應力接近475 V，與理論分析公式(12)相吻合。

5 結 語

基于開關電感有源網絡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大變比的升降壓功能。