应用于新能源发电的双向DC/DC变流器研究及仿真验证

由于环境和经济原因，新能源已经引起了全球范围的极大关注。目前所使用的新能源包括太阳能、风能、地热能、潮汐能、氢能和生物能等。由于绝大多数新能源以电能形式产生，因此电能变换技术的创新对于使用新能源时的成本就变得非常关键。

虽然对可再生能源的研究取得了一定进展，但是也存在一些内在问题。其一为间歇性，即可再生能源输出的功率不是恒定的；其二为相对于电力负荷，可再生能源反应比较慢。通常，可再生能源与储能单元结合可增强系统性能或实现附加的功能。

作为一种新颖的电力电子变流器，多端口双向DC／DC变流器越来越多地应用于以燃料电池、太阳能和风能为代表的新能源发电系统。它可以有效地将储能装置、新能源发电设备以及负载结合起来。同时，还可以克服新能源发电系统的内在缺点，具有功率密度高、易实现集中控制和能量管理等优点。尽管多端口变流器越来越多地应用于新能源发电系统、电动汽车、UPS和混合储能系统等，但所提出的多端口变流器的拓扑或多或少具有以下缺点：功率单向流动；无电气隔离；高电流应力；元器件数量多；控制复杂；多个电源不能同时传递功率。

稳态分析

为解决上述问题，这里提出一种三端口双向DC／DC变流器。它由低压侧两个有源全桥、高压侧一个有源半桥及一个三绕组高频变压器组成，如图1所示。该变流器具有以下优点：有电气隔离；输入电流纹波小；无需辅助电路实现软开关；电容数量少；低压侧开关应力低；可在多个电源之间单独或同时传递功率；由于变压器的变比高，可以匹配不同电压等级。

低压侧分别连接储能单元，例如蓄电池和超级电容器。变压器的漏感起到储能和能量传递作用。升压模式下变压器两侧理想的电压和电流波形如图2所示。变压器低压侧两个全桥分别产生方波电压ur12(结构A1中)，ur56(结构A2中)，变压器高压侧产生方波电压ur34。通过调节3个开关桥方波电压之间的移相角可以实现并控制双向功率流动。

其中ur12与ur34间的移相角定义为φ13，而ur56与ur34间的移相角定义为φ53。当ur12和ur56超前于ur34时，φ13和φ53为正，这时能量从低压侧向高压侧流动，变流器工作在升压模式，使高压侧电压保持恒定。能量反向流动时，变流器工作在降压模式，对储能元件进行充电。从图2可见，一个完整的开关周期可分为6个阶段。变压器漏感电流ir13，ir53和ir15为θ的函数，θ=ωt，ω为开关频率。

式(7)表明，可通过移相角或开关频率控制系统的功率流动。考虑到变压器的体积，选择固定开关频率。则通过φ13和φ53控制功率流动。

变流器ZVS条件

三端口变流器的换流机制与二端口变流器相似，即将关断的开关器件，会将电流转移到相应谐振电容中，利用电容电压不能突变的特点，实现零电压关断。利用谐振电容的充放电，使得开关管反并联二极管开通后，再开通开关管，实现零电压开通。然而，对于三端口变流器，由于有两个输入级相互影响，软开关条件相对更复杂。

从图2可推出升压模式下的软开关条件。在升压模式下，开关管零电压开关(ZVS)的实现与开关管关断前时刻的初次级电流的状态有关，简单解释为即将关断的开关管流过正向电流，不同时刻的电流要求为：

其中函数f1～f6分别表示开关管VS1(VS1’)，VS5(VS5’)，VS3，VS2(VS2’)，VS6(VS6’)，VS4的软开关条件。由式(1)～(8)可以推出VS3，VS4可完全实现软开关，而VS1(VS1’)，VS2(VS2’)和VS5(VS5’)，VS6(VS6’)的软开关条件受到φ13，φ53范围的限制，意味着有源桥双向DC／DC变流器一个输入级电路的软开关条件受到另一个输入级中控制变量的影响。则要根据两个输入级电路控制变量间的相互影响，合理选取φ13，φ53的值。

 仿真结果

变流器电路的仿真参数为：Uin1=Uin2=12 V，L1=L2=25μH，Lr13=Lr53=Lr15=0．5μH，fs=20 kHz，C1=C2=4．4 mF，C3=C4=330μF，Co= 660μF，φ13=0．16π，φ53=0．1π，D=0．5。升压模式下仿真波形如图3所示。可见，当开关器件的反并联二极管导通时，给开关器件施加驱动信号，开关器件可实现ZVS。

实验结果

搭建的2 kW三端口变流器实验平台基本电路中Uin1=Uin2=4．5 V，其他参数均与仿真参数相同。实验结果如图4所示。

本文提出一种应用于新能源发电系统的多端口双向DC／DC变流器。该变流器由两个有源全桥、一个有源半桥和一个三绕组高频变压器组成。通过调节变压器两侧电压的移相角可实现输入和输出侧的双向能量流动。利用缓冲电容和变压器的漏感实现软开关，并对升压模式下的能量流动和软开关条件进行详细理论分析，改变移相角可以影响软开关的范围。最后通过仿真和实验验证了多端口双向DC／DC变流器的性能。