面向直流微网的双向DC-DC变换器研究现状和应用分析

雷志方 汪 飞 高艳霞 阮 毅



面向直流微网的双向DC-DC变换器研究现状和应用分析

雷志方 汪 飞 高艳霞 阮 毅

（上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072）

直流微网是一种连接分布式电源与主电网的微网形式，双向DC-DC变换器（BDC）作为直流微网中必不可少的接口电路，在直流微网中充当着重要的角色，能够有效提升分布式电源利用率和直流微网的电能质量。在简要阐述学者们关于直流微网结构研究成果的基础上，归纳出了BDC在直流微网中的四方面典型应用。主要呈现了面向直流微网的BDC研究成果，着重分析了直流微网中应用BDC作为接口电路的变换器拓扑选择。最后，基于研究现状的分析，结合直流微网的发展趋势和电力电子关键技术对BDC未来的技术发展进行了讨论。

直流微网 双向DC-DC变换器 接口电路 应用分析

0 引言

微网是指以分布式发电技术为基础，靠分散型资源或用户的小型电站为主，结合终端用户电能质量管理和能源梯级利用技术形成的小型模块化、分散式供能网络。虽然各国和各大型研究机构对微网的定义因为侧重点的不同而略有差异，但其具有相同的基本目标：提高电力安全、保证可靠供电、改善供电品质、利用新能源和提高能源利用效率等[1]。

微网是随着分布式电源（如太阳电池、燃料电池、风力机、燃气轮机和沼气发电等）的发展而发展起来的，是一种有效利用分布式电源的配电形式[1-3]。由于以风能和太阳能为代表的可再生分布式电源可控性差、随机波动性强，通过微网的形式接入大电网一方面增强了分布式电源的可控性，减小了将分布式电源直接接入大电网而产生的不稳定性，使分布式电源的应用更加灵活高效。另一方面为改善电能质量，提高供电的可靠性提供了巨大潜力[4-6]。

相比交流微网，直流微网由于更加方便于分布式电源的接入（分布式电源产生的电能多为直流电或可经过简单整流后变为直流电），由于不存在分布式电源间的同步和无功功率流动等问题，且更加高效节能，逐渐引起了更多国内外学者的关注[6]。文献[1,6-9]详细地介绍了直流微网概念的产生背景和意义，对比总结了欧洲、美国和日本的直流微网研究现状及其示范工程，概括性地讨论了直流微网研究中的关键技术问题。文献[10-13]主要研究了直流微网中储能技术和直流母线电压控制技术。本文将在深入了解直流微网系统结构的基础上，归纳出双向DC-DC变换器（Bidirectional DC-DC Converters, BDC）在其中的重要应用，并在总结面向直流微网的BDC研究现状的基础上，对其应用特点进行分析。最后对BDC及其面向直流微网的应用进行了总结和对其未来的发展趋势进行了分析讨论。

1 直流微网的系统结构及BDC在其中的应用分类

进入21世纪以来，以美国、日本、韩国和欧洲等国家为代表的研究机构开始了对直流微网的研究，他们的研究主要集中在系统结构、功率变换技术和控制及通信技术方面，而相应的示范工程也都主要以住宅、楼宇和数据中心为应用场合。如图1所示是融合了国内外研究成果而绘制的直流微网系统结构综合示意图，系统主要包括分布式电源、分布式储能单元、分布式负载和功率变换器等（控制及通信设备在此不予呈现）[14-18]。

图1所示系统中包含两种主母线：高压母线和低压母线。高压配电母线既可以是交流母线也可以是直流母线，这由配电网的形式决定。目前比较常用的是高压交流母线，其电压等级一般不低于6kV，目前高压直流母线的研究和应用还比较少，但随着柔性直流输电的深入发展，高压母线采用直流的配电形式引起了学者们的重视，本文在此呈现的是高压直流母线的配电形式。高压直流母线的电压等级会因微网的容量大小而不同，但是在现有的城市配电网中，10kV电压等级的中压配电母线长期存在，因此本文建议在直流微网的发展过程中应该有效参考10kV电压等级和国外比较认可的20kV电压 等级。

低压母线的电压等级及构成形式到目前为止还没有统一的标准，比较典型的是美国CPES中心的380V和48V双层直流母线，美国北卡罗来纳州立大学构建的FREEDM系统的DC 400V和AC 120V交直流混合母线形式及日本大阪大学提出的DC±170V的双极性母线结构[14-18]。我国学者在文献[6]中根据我国的用电需求提出了220V和380V的双层直流母线结构，既能够满足现有大多数低压家电设备，又能够满足越来越多的变频空调、电冰箱和洗衣机等单相交流负载的用电需求。如图1所示的直流微网系统结构融合了各国学者的主流思想，构造了包括DC 380V的主母线、DC 380V和DC 48V双层母线形式以及DC±190V双极性母线形式[19]。

图1 直流微网系统结构综合示意图

在该结构中高压母线和低压母线之间的能量流动是双向的，这符合未来柔性直流配电网的主要发展趋势，其中双向DC-DC变换器融合了高频隔离技术和链式变流技术的智能功率变流器。±190V双极性直流母线的配电形式是通过在单母线间跨接BDC实现的。BDC在此一方面承担构造中性线的作用，另一方面又能解决双极性母线上的负载不平衡问题。

系统还通过BDC接入了不同等级的储能单元，包括用户级和系统级，以提高用户的用电质量和可靠性，改善电网的电能质量。通常，用户级的储能单元容量相对较小，可以通过BDC接入低压直流母线，系统级的储能单元容量相对较大，可以根据应用需要接入低压直流母线或者高压直流母线。

如图1所示，对于微网中的负载而言，一般的直流负载可以直接从直流母线接入或者通过单向的升降压电路接入直流母线；对于一般的交流负载，可以通过逆变器接入直流母线；而对于敏感性等特殊负载，可以通过逆变器前置直流变换器实现精确控制或者是实现负载与直流母线之间的电压匹配；对于一些诸如电梯等具有较大能量回馈的负载，可以通过前置BDC以实现高准确度、宽范围调速和能量的双向流动，进而在提高电机负载控制性能的同时提高用电效率。

由此看出单向/双向直流功率变换器在直流微网系统中起着至关重要的作用，其作为接口电路不仅实现了微网与大电网之间的能量流动，分布式电源和储能单元的并网接入，也实现了不同类型和不同电压等级负载的接入。本文主要关注的是直流微网中BDC的应用，结合图1的系统结构和以上的分析可知在储能单元和直流母线之间、直流母线与直流母线之间、负载与直流母线之间以及双极性母线之间，BDC都扮演着重要的角色。

2 BDC在直流微网中的研究现状和应用分析

目前，国内多数学者关于BDC的研究主要集中在独立光伏发电系统、燃料电池供电系统、航空电源、电动汽车和不间断电源等领域，他们根据不同的应用场合提出了众多的拓扑结构以满足应用需要，而面向直流微网的BDC应用研究则主要集中在储能技术方面，且关于BDC的应用形式比较单一。通过图1所示的直流微网系统结构不难看出，BDC在直流微网中的应用比较广泛，不仅是在储能方面，在需要能量双向流动的高、低压直流母线之间扮演了不可或缺的角色，在双极性母线的配电形式下也是必不可少的，同时在能量回馈性负载中具有很大的应用潜力。

2.1 储能单元接口电路

在微网系统中，电能存储单元起着至关重要的作用，一方面可以改善可再生能源输出的不稳定性对电能质量的影响，抑制大电网本身的电压波动；另一方面可以保障直流微网的供电可靠性，提高电能利用率[4,10-12]。储能技术的研究是目前微网研究的关键，国内外学者在这方面已做了大量的工作。本小节将基于多数学者的研究成果，从应用的角度进行适用性分析。

通常由蓄电池和超级电容组成的多元复合储能单元的电压等级不会很高，一般比较常见的在100～300V之间，而电动汽车等动力系统电池电压等级一般为144V、288V、320V、346V、400V和576V。

从储能单元的电压等级角度考虑，当电压等级低于100V时（直流母线电压为380V），需要采用高电压比的BDC来实现直流母线和储能单元之间的能量流动，这时既可以采用文献[20-23]中提出的正反激组合式和推挽正激移相式隔离型拓扑（前者虽然结构简单，但一般只适用于小功率；后者虽然容易实现软开关控制，但不可避免会出现变压器偏磁的问题），也可以采用文献[24]提出的如图2所示的基于Buck-Boost带耦合电感的非隔离型BDC拓扑结构来实现大电压比（虽然该拓扑结构简单，易实现磁集成，但耦合电感的形式使变换器的控制略微复杂）。考虑到输入侧低压大电流和直流母线侧电压相对较高的特点，也可以采用推挽全桥组合式的BDC拓扑[21]。

图2 基于Buck-Boost的带耦合电感的BDC

当电压等级在100～300V之间时可以采用如图3所示比较常见的双向Buck-Boost拓扑，其具有电路结构简单、电压应力小和动态响应快等特点[11,25-27]。也可以采用如图4所示的基于Buck-Boost交错并联BDC拓扑，其能够有效减小储能电感的体积，大大降低储能单元的输入、输出电流纹波，进而实现了BDC的小型化和轻量化[28-31]。而在更大功率、更小纹波电流要求的场合，多模块化的交错并联电路才是更好的选择[29]。

图3 双向Buck-Boost变换器

图4 交错并联Buck-Boost BDC

而对于采用较高电压等级的蓄电池可以采用文献[32]提出的如图5所示的基于Buck-Boost三电平BDC，在降低开关管电压应力的同时，能够有效减小输入电流纹波、储能电感和滤波电容的体积。对于电压等级较高的大功率动力电池单元（实现V2G概念），从用电安全的角度则推荐使用如图6所示的双有源桥式隔离BDC拓扑，随着SiC和GaN等新型功率半导体的出现，相关此类型及其变形拓扑在高电压大功率应用方面的研究工作已逐步成熟[33-36]。

图5 基于Buck-Boost三电平BDC

图6 双有源桥式隔离BDC

文献[37,38]考虑到微网中既有太阳电池和燃料电池等分布式发电单元，还有许多蓄电池和超级电容等储能单元，提出了如图7所示的一类多端口磁耦合分布式储能系统[37]。其中每个实框所示的单元都可以通过基本的Buck-Boost变换器实现与相应直流母线之间的能量流动。如果是分布式发电单元，可以向直流母线提供能量；如果是分布式储能单元，可以通过Buck-Boost变换器实现与直流母线之间的双向能量流动。而不同母线之间的能量流动可以通过虚框中的半桥电路来实现。

图7 多端口磁耦合分布式储能系统

由于直流微网中分布式能量单元较多，多端口磁耦合的BDC拓扑在此具有明显的优势。图7中不同母线以不同电压等级接入分布式电源或分布式储能单元，这样既可以实现分布式单元与母线的电压等级匹配、分布式单元和电网电压的电气隔离以及分布式储能单元的能量均衡，也便于实现接口电路的集成化，有效减小功率变换电路的体积和重量。非隔离单元可以采用简单而又经济可靠的双向Buck-Boost电路，隔离单元电路既可以采用半桥电路，也可以采用推挽电路或全桥电路等。

文献[39]从直流配电网层面提出了适合于分布式电源接入高压直流电网的接口电路。如图8所示的基于IBDC链式储能系统中的分布式储能变换单元（Distributed Energy Storage and Conversion Cell, DESCC）通过图6所示的双有源桥式隔离BDC（Dual Active Bridge Isolated BDC，DAB-IBDC）子单元实现了高电压比、高功率能量双向传输和良好的电气隔离。而所有的DESCC通过采用链式结构的连接形式实现低压大容量储能单元和高压直流母线之间的能量双向流动，进而在改善电能质量的同时，提高新能源利用率。

本文在此综合考虑分布式储能的优势，结合文献[5,37,39]提出如图9所示的基于隔离和非隔离的模块化混合链式储能系统结构（图9中的隔离和非隔离单元可以选用不同的BDC拓扑）。在同等指标下，相较于图8，该储能系统通过结合使用非隔离的Buck-Boost变换器单元和隔离的双有源桥式变换器单元可以显著减小高频变压器匝数比，减小漏磁，提升转换效率。实现能量在储能单元间的均衡控制，充分利用和保护储能单元，便于实现系统的模块化和集成化，进而达到较高的经济性能指标。

图8 基于IBDC的链式储能系统

图9 模块化混合链式储能系统

2.2 直流变压器

文献[9]中提到，在直流配电网中，由于分布式电源的存在，低压配电母线与高压配电母线之间的能量交换既可以是单向的也可以是双向的。而为了充分发挥分布式电源的优势，实现对电能质量的改善，具有双向交互功能的直流配电网将是未来的主要发展趋势。因而目前采用高频隔离和直流链式变流技术来实现高、低压直流母线间的功率变换已经引起了国内外学者们的广泛关注[38-43]。

文献[42]提出了如图10所示的基于DAB-IBDC高频隔离直流链式变压器结构。其核心单元是DAB-IBDC型双向直流变换器，在高压侧DAB- IBDC采用串联的方式进行分压，在低压侧DAB- IBDC采用并联的方式实现大电流工作，进而实现能量在高低压直流母线之间的双向流动，若要实现更大功率的能量传输可以在高低压直流母线间挂接更多这样的链式结构来实现。

图10 基于DAB-IBDC高频隔离直流链式变压器

文献[43]结合高频隔离和多电平技术实现了高电压比的直流功率变换，通过使用新型高电压大功率器件SiC实现了电压24kV/750V转换，传输功率高达270kW。

由上述内容和固态变压器（Solid State Transformer, SST）的概念可知用于直流母线之间的变压器会综合采用多电平技术、链式变流技术和高频隔离技术来实现。到目前为止，有关直流链路变压器的研究还不是很多，多数学者的研究主要集中在基于链式结构的单元电路——DAB-IBDC的变形拓扑、控制策略和软开关实现等方面[33-36]。

2.3 能量回馈性负载接口电路

在直流微网中，直流母线电压会因为并网、离网或是负载的突然接入或切除而出现波动，这对其他负载是不利的[44]。同时，直流微网中直流母线电压是一个重要指标，对每一个并入直流母线的微电源都要对其输出进行控制，从而起到维持直流母线电压稳定的目的。除了分布式发电单元和储能单元，能量回馈性负载也可以认为是一个微源（诸如日常生活中的电梯）。因此在直流微网系统中，能量回馈性负载（如带逆变器驱动的电机负载）可以通过如图11所示的级联BDC的基本电机驱动拓扑接入直流母线，以减小母线电压波动对电机负载的影响，提高电机的控制性能[45-47]。

图11 级联BDC的基本电机驱动拓扑

文献[45-47]通过逆变器前置双向Buck-Boost电路不仅增强了系统在负载变化时抑制母线电压波动的能力，也实现了能量的双向流动。尤其是文献[47]提出的如图12所示的级联Buck-Boost的电机驱动拓扑，其借助于前置的双向Buck-Boost和后级的逆变器配合控制不仅能够有效抑制无刷直流电机的三相电流的纹波，抑制转矩脉动，减小铁损及提高效率，而且还实现了电机的宽范围多方式调速和能量的双向流动。

图12 级联Buck-Boost的电机驱动拓扑

文献[48]提出的如图13所示的基于DAB的Z源双向DC-DC变换器是一种基于双阻抗网络的双向全桥DC-DC变换器，其变压器两侧电路完全对称，电路上没有高低压侧之分，变换器的电压调节既可以通过阻抗网络，也可以通过高频变压器来实现，具有较宽的电压调节范围，同时该电路还可以承受桥臂直通，且可靠性高。该电路拓扑可以实现高电压大功率场合的能量双向传输，因而随着微网容量等级的提升，在工业级直流微网中，该拓扑可以作为前级电路应用于大功率能量回馈性负载。

图13 基于DAB的Z源IBDC

图12所示的双向级联式Buck-Boost电路和图13所示的Z源双向BDC在单方向上都既可以实现升压变换也可以实现降压变换，因而具有较宽的电压调节范围。把这种具有较宽电压调节范围的BDC作为电机负载的前级电路有利于电机的宽速度范围调速、直流电压利用率的提高和电机的平滑制动。总之，在电机驱动电路前级级联BDC电路不仅可以减小微网直流母线电压波动对电机负载的影响，提高电机的控制性能，也可以提高用电效率，改善电能质量。

2.4 电压平衡器

在直流微网中有各种形式的负载，这些负载可以直接接入直流母线或者通过不同形式的变换器接入直流母线，为了便于不同电压等级的负载接入，文献[16]提出了双极性直流母线的配电形式。为了满足双极性直流母线供电需要，通常在直流电网进入用户时接入一个独立的电压平衡器来构造一根中性线，以三线制的配电形式进入用户端，以提高直流微网的灵活性、安全性和可靠性[16-18,49-51]。

图14a为文献[49]提出的三电平电压平衡器，将其变形为如图14b所示的拓扑，其本质是一个三电平的双向Buck-Boost变换器。当1＞2时，VT1和VT2作为主开关管，向负载2额外注入一定电流，提供额外的能量；当1＜2时，VT3和VT4作为主开关管，将负载2多余的能量回馈给负载1。从输入和输出端口来看，当1＞2时，额外的能量正向流动；当1＜2时，额外的能量反向流动。

（a）

（b）

图14 三电平电压平衡器

Fig.14 Three level voltage balancer

文献[50]对电压平衡器也进行了深入的研究，并提出如图15所示的一种双Buck半桥电压平衡器，从本质上来讲是一个变形的双向Buck-Boost变换器，使用了两个电感，避免了图14中开关管直通问题。文献[16,51]采用双向Buck-Boost变换器做为电压平衡器，实现了正、负极母线与中性线间的电压平衡，并通过前级的双向Buck-Boost变换器（稳压器）抑制前级母线的电压波动，实现三线制母线的电压稳定，具体拓扑结构如图16所示。

图15 双Buck半桥电压平衡器

图16 前置稳压器的Buck/Boost电压平衡器

通过以上分析可以看出应用于电压平衡器的直流变换器需要满足能量双向流动和输入、输出极性相反的条件。由此可知将输入、输出电压极性相反的BDC跨接在单极性的直流母线之间，可以实现单极性母线向双极性母线的转化，实现两条直流母线上的电压平衡。对于高压直流母线场合（如舰船直流配电系统），建议使用文献[49]提出的图14所示的三电平BDC拓扑。对于一般的小容量、低电压等级的场合，可以使用文献[16,50,51]提出的如图15和图16所示的结构简单控制方便的BDC拓扑。

3 技术趋势分析

本文主要阐述了适用于直流微网的BDC研究现状，并从四个方面进行了应用分析，即储能单元接口电路、直流变压器、能量回馈性负载接口电路和电压平衡器。下面结合现有学术研究成果做出如下的技术趋势分析。

关于储能单元接口电路的研究是一大热点，本文根据储能单元电压等级和拓扑的电气隔离情况绘制了储能单元接口电路应用选型参考见表1。其中的非隔离型、正激、反激及其相关组合型拓扑一般多适用于中小功率，而在大功率应用场合中可考虑选用DAB-IBDC及其变形拓扑（见图6）。面向多分布式电源的微网发电系统，集成度较高的三端口或多端口变换器则较为适用。另一方面，在低电压大电流场合，可结合使用交错并联和同步整流技术以提高转换效率、减小电流脉动和增大功率密度。在高电压大功率场合，可引入多电平技术和链式变流技术以减小开关器件的电压应力，实现低压大容量储能单元和高压直流母线之间的能量双向流动，进而满足柔性直流输电的需要。

表1 两端口储能单元接口电路选择表

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

有关高压直流链路变压器的研究相对较少，主要集中在基于链式结构的核心单元电路—DAB-IBDC的变形拓扑、控制策略和软开关实现的研究，以及单元电路和模块电路中的均压和均流控制。拓扑研究最直接的方法是将高压直流输电中的电压换流技术和交流SST中的变换技术应用到直流变压器中。随着柔性直流输电的发展，高压直流链路变压器会向着融合高频隔离、多电平、软开关、模块化和磁集成技术的方向发展。

双极性母线的配电形式存在正负极性母线上负载不平衡问题，但不可忽视其方便不同电压等级负载接入的应用优势。电压平衡器作为产生双极性母线的关键部件，其功率等级取决于两条直流母线与中性线之间的负载不平衡程度，负载不平衡程度越大，电压平衡器的功率等级越高。故将负载接入三线制母线时应充分考虑负载平衡度与电压平衡器功率等级的匹配以提高用电效率。关于电压平衡器的研究，可从拓扑角度考虑将其他具有输入、输出极性相反特点的BDC应用于此，进一步深入研究和优化电压平衡器的拓扑及其控制。

将BDC作为接口电路应用于能量回馈性负载和直流母线之间可以极大改善母线电压波动对电机负载的影响，也可以有效提高电机的高性能控制和实现制动能量的回收利用。这方面的研究工作已经有了良好的开端，在节能电梯和电动汽车中已获得了初步应用，并进一步向电机控制低噪声化、高精准化和节能高效的方向发展。

与此同时，考虑到BDC在微电网中的规模化应用，在系统层面的研究需要关注以下两个方面。多样化的BDC接口电路在微网中因为变换器之间的交互而引起的系统不稳定问题需要进行建模分析以及不稳定因素预测，并从微网和BDC不同层面研究应对策略。另一方面，以控制双向和单向直流变换器工作模式为核心的系统能量管理策略的研究有待深入和优化以增强微网的适应性、可靠性和开放性，进而减缓功率间歇的影响，实现可再生能源的最大化利用。有效应对负载变化、大电网电压闪络以及直流微网并网和离网等工况的变化，便于微网的进一步扩展。

4 结论

本文在简要分析直流微网发展现状的基础上，对直流微网的系统结构进行了比较深入的调查研究，总结归纳了直流微网中BDC接口电路的四方面典型应用。文章着力阐述了近期国内外诸多学者面向直流微网的BDC相关研究和应用成果，主要分析了在不同场合下BDC的选择和应用特点。最后对当前的研究现状进行了分析，对未来的技术发展特点进行了讨论。

参考文献：

[1] 鲁宗相, 王彩霞, 闵勇, 等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007, 31(19): 100-107.

Lu Zongxiang, Wang Caixia, Min Yong, et al. Overview on micro-grid research[J]. Automation of Electric Power Systems, 2007, 31(19): 100-107.

[2] 王成山, 肖朝霞, 王守相. 微电网综合控制与分析[J]. 电力系统自动化, 2008, 32(7): 98-103.

Wang Chengshan, Xiao Zhaoxia, Wang Shouxiang. Synthetical control and analysis of micro-grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2008, 32(7): 98-103.

[3] 王成山, 武震, 李鹏. 微电网关键技术研究[J]. 电工技术学报, 2014, 29(2): 1-12.

Wang Chengshan, Wu Zhen, Li Peng. Research on key technologies of micro-grid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(2): 1-12.

[4] Wang F, Duarte J L, Hendrix M A M. Grid- interfacing converter systems with enhanced voltage quality for micro grid application-concept and implementation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(12): 3501-3513.

[5] Echeverria J, Kouro S, Perez M, et al. Multi-modular cascaded DC-DC converter for HVDC grid connection of large-scale photo-voltaic power systems[C]//9th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Vienna, 2013: 6999-7005.

[6] 吴卫民, 何远彬, 耿攀, 等. 直流微网研究中的关键技术[J]. 电工技术学报, 2012, 27(1): 98-107.

Wu Weimin, He Yuanbin, Geng Pan, et al. Key technologies for DC micro-grids[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(1): 98-107.

[7] 郑漳华, 艾芊. 微电网的研究现状及在我国的应用前景[J]. 电网技术, 2008, 32(16): 27-31.

Zheng Zhanghua, Ai Qian. Present situation of research on micro-grid and its application prospects in China[J]. Power System Technology, 2008, 32(16): 27-31.

[8] 丁明, 张颖媛, 茆美琴. 微网研究中的关键技术[J]. 电网技术, 2009, 33(11): 6-11.

Ding Ming, Zhang Yingyuan, Mao Meiqin. Key technologies for micro-grids being researched[J]. Power System Technology, 2009, 33(11): 6-11.

[9] 宋强, 赵彪, 刘文华, 等. 智能直流配电网研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(25): 9-19.

Song Qiang, Zhao Biao, Liu Wenhua, et al. An overview of research on smart DC distribution power network[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(25): 9-19.

[10] 陈伟, 石晶, 任丽, 等. 微网中的多元复合储能技术[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(1): 112-115.

Chen Wei, Shi Jing, Ren Li, et al. Composite usage of muti-type energy storage technologies in micro grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(1): 112-115.

[11] 王司博, 韦统振, 齐智平. 超级电容器储能的节能系统研究[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(9): 105-110.

Wang Sibo, Wei Tongzhen, Qi Zhiping. Energy saving system based on super capacitor[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2010, 30(9): 105-110.

[12] 王承民, 孙伟卿, 衣涛, 等. 智能电网中储能技术应用规划及其效益评估方法综述[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(7): 33-41.

Wang Chengmin, Sun Weiqing, Yi Tao, et al. Review on energy storage application planning and benefit evaluation methods in smart grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(7): 33-41.

[13] 王毅, 张丽荣, 李和明, 等. 风电直流微网的电压分层协调控制[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(4): 16-25.

Wang Yi, Zhang Lirong, Li Heming, et al. Hierarchical coordinated control of wind turbine- based DC microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(4): 16-25.

[14] Boroyevich D, Cvetkovic I, Dong D, et al. Future electronic power distribution systems a contemplative view[C]//IEEE 12th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), Basov, 2010: 1369-1380.

[15] Huang A Q, Crow M L, Heydt G T, et al. The future renewable electric energy delivery and management (FREEDM) system: the energy internet[J]. Pro- ceedings of the IEEE, 2011, 99(1): 133-148.

[16] Kakigano H, Miura Y, Ise T, et al. DC voltage control of the DC micro-grid for super high quality distribution[C]//IEEE Power Conversion Conference, Nagoya, 2007: 518-525.

[17] Kakigano H, Miura Y, Ise T. Low-voltage bipolar- type DC microgrid for super high quality distri- bution[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(12): 3066-3075.

[18] Brenna M, Tironi E, Ubezio G. Proposal of a local DC distribution network with distributed energy resources[C]//IEEE 11th International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2004: 397-402.

[19] 李露露, 雍静, 曾礼强, 等. 低压直流双极供电系统的接地型式研究[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(13): 2210-2218.

Li Lulu, Yong Jing, Zeng Liqiang, et al. Researches on grounding types of low-voltage DC bipolar distribution systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2014, 34(13): 2210-2218.

[20] 张方华. 双向DC-DC变换器的研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2004.

[21] 严仰光. 电力电子技术[M]. 南京: 江苏科学技术出版社, 2004.

[22] 张方华, 严仰光. 推挽正激移相式双向DC-DC变换器[J]. 电工技术学报, 2004, 19(12): 59-64.

Zhang Fanghua, Yan Yangguang. Research on push-pull phase shifted bi-directional DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2004, 19(12): 59-64.

[23] 张方华, 严仰光. 一族正反激组合式双向DC-DC变换器[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(5): 157- 162.

Zhang Fanghua, Yan Yangguang. A family of forward-flyback hybrid bi-directional DC-DC con- verters[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(5): 157-162.

[24] 林维明, 郭晓君, 黄超. 改进单周期控制策略的双向大变比DC-DC开关变换器[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(21): 31-37.

Lin Weiming, Guo Xiaojun, Huang Chao. Bi- directional DC-DC converters with large conversion ratio based on improved one-cycle control[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(21): 31-37.

[25] 张国驹, 唐西胜, 齐智平. 超级电容器与蓄电池混合储能系统在微网中的应用[J]. 电力系统自动化, 2010, 34(12): 85-89.

Zhang Guoju, Tang Xisheng, Qi Zhiping. Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(12): 85-89.

[26] 张国驹, 唐西胜, 周龙, 等. 基于互补PWM控制的Buck/Boost双向变换器在超级电容器储能中的应用[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(6): 15-21.

Zhang Guoju, Tang Xisheng, Zhou Long, et al. Research on complementary PWM controlled Buck/ Boost bi-directional converter in super capacitor energy storage[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(6): 15-21.

[27] 刘志文, 夏文波, 刘明波. 基于复合储能的微电网运行模式平滑切换控制[J]. 电网技术, 2013, 37(4): 906-912.

Liu Zhiwen, Xia Wenbo, Liu Mingbo. Control method and strategy for smooth switching of microgrid operation modes based on complex energy storage[J]. Power System Technology, 2013, 37(4): 906-912.

[28] 陆治国, 祝万平, 刘捷丰, 等. 一种新型交错并联双向 DC/DC 变换器[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(12): 39-46.

Lu Zhiguo, Zhu Wanping, Liu Jiefeng, et al. A novel interleaved parallel bidirectional DC/DC converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(12): 39-46.

[29] Garcia O, Zumel P, de Castro A, et al. Automotive DC-DC bidirectional converter made with many interleaved Buck stages[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(3): 578-586.

[30] 杨玉岗, 祁鳞, 吴建鸿. 三相交错并联磁集成Boost变换器的内部本质安全特性[J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 54-62.

Yang Yugang, Qi Lin, Wu Jianhong. Analysis of inner-intrinsic safety for three-phase interleaving magnetic integrated Boost converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(4): 54-62.

[31] 李辉, 付博, 杨超, 等. 多级钒电池储能系统的功率优化分配及控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2013, 33(16): 70-77.

Li Hui, Fu Bo, Yang Chao, et al. Power optimization distribution and control strategies of multistage vanadium redox flow battery energy storage systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(16): 70-77.

[32] Jin K, Yang M, Ruan X, et al. Three-level bidirectional converter for fuel-cell/battery hybrid power system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, 57(6): 1976-1986.

[33] Zhao C, Round S D, Kolar J W. An isolated three- port bidirectional DC-DC converter with decoupled power flow management[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(5): 2443-2453.

[34] 程红, 高巧梅, 朱锦标, 等. 基于双重移相控制的双向全桥DC-DC变换器动态建模与最小回流功率控制[J]. 电工技术学报, 2014, 29(3): 245-253.

Cheng Hong, Gao Qiaomei, Zhu Jinbiao, et al. Dynamic modeling and minimum backflow power controlling of the bi-directional full-bridge DC-DC converters based on dual-phase-shifting control[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(3): 245-253.

[35] Zhao B, Song Q, Liu W. Power characterization of isolated bidirectional dual-active-bridge DC-DC converter with dual-phase-shift control[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(9): 4172-4176.

[36] Zhao B, Yu Q, Sun W. Extended-phase-shift control of isolated bidirectional DC-DC converter for power distribution in micro grid[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(11): 4667-4680.

[37] Tao H, Kotsopoulos A, Duarte J L, et al. Family of multiport bidirectional DC-DC converters[J]. IEE Proceedings of Electric Power Applications, 2006, 153(3): 451-458.

[38] Li X, Bhat A K S. Analysis and design of high-frequency isolated dual-bridge series resonant DC/DC converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(4): 850-862.

[39] Ortiz G, Biela J, Bortis D, et al. 1 megawatt, 20kHz, isolated, bidirectional 12kV to 1.2kV DC-DC converter for renewable energy applications[C]// International Power Electronics Conference (IPEC), Sapporo, 2010: 3212-3219.

[40] Aggeler D, Biela J, Kolar J W. A compact, high voltage 25kW, 50kHz DC-DC converter based on SiC JFETs[C]//IEEE Applied Power Electronics Con- ference (APEC), Austin, TX, 2008: 801-807.

[41] Shigenori I, Hirofumi A. A bidirectional isolated DC-DC converter as a core circuit of the next- generation medium-voltage power conversion system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(2): 535-542.

[42] Zhao Biao, Song Qiang, Liu Wenhua, et al. Overview of dual-active-bridge isolated bidirectional DC-DC converter for high frequency link power-conversion system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2014, 29(8): 4091-4106.

[43] Yang L, Zhao T, Wang J, et al. Design and analysis of a 270kW five-level DC/DC converter for solid state transformer using 10kV SiC power devices[C]// Power Electronics Specialists Conference, Orlando, FL, 2007: 245-251.

[44] 张国荣, 王新兵, 乔龙洋. 直流微网中母线电压对直流负载影响[J]. 电力系统自动化, 2013, 35(2): 65-67.

Zhang Guorong, Wang Xinbing, Qiao Longyang. The impact of bus voltage on the DC load for DC micro- grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 35(2): 65-67.

[45] Zhang Xuhui, Wen Xuhui. A new control scheme for DC-DC converter feeding constant power load in electric vehicle[C]//IEEE International Conference on Electrical Machines and Systems, Beijing, 2011: 1-4.

[46] 张旭辉, 温旭辉, 赵峰. 电机控制器直流侧前置Buck/Boost双向变换器的母线电容电流控制策略研究[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(30): 23-29.

Zhang Xuhui, Wen Xuhui, Zhao Feng. Research on the bus capacitor current control scheme for Buck/Boost bi-directional converters in motor drive systems[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(30): 23-29.

[47] 张晓峰, 吕征宇. 混合动力车用全数字电流控制型双向DC/DC变换器[J]. 电工技术学报, 2009, 24(8): 84-89.

Zhang Xiaofeng, Lü Zhengyu. Digital current controlled bi-directional DC/DC converter in the hybrid electric vehicle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009, 24(8): 84-89.

[48] 赵彪, 于庆广, 王立雯. Z源双向DC-DC变换器及其移相直通控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(9): 43-49.

Zhao Biao, Yu Qingguang, Wang Liwen. A Z-source bi-directional DC-DC converter and its phase shifting-short control strategy[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(9): 43-49.

[49] 张先进, 龚春英. 三电平半桥电压平衡器[J]. 电工技术学报, 2012, 27(8): 114-119.

Zhang Xianjin, Gong Chunying. Three-level half bridge voltage balancers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(8): 114-119.

[50] Zhang X, Gong C. Dual-Buck half-bridge voltage balancer[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2013, 60(8): 3157-3164.

[51] 张弛, 江道灼, 叶李心, 等. 一种适用于直流配电网的双向稳压型电压平衡器[J]. 电力建设, 2013, 34(10): 53-59.

Zhang Chi, Jiang Daozhuo, Ye Lixin, et al. A bi-directional voltage regulating balancer for DC power distribution network[J]. Electric Power Con- struction, 2013, 34(10): 53-59.

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

国家自然科学基金（51107078），台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》（DREG2012006）和教育部留学回国科研启动基金资助项目。

2014-10-05 改稿日期 2015-04-11

雷志方 男，1990年生，硕士研究生，研究方向为DC-DC变换器及其在微电网中的应用。E-mail: leizhifang521@163.com

汪 飞 男，1981年生，博士，副教授，研究方向为新能源发电与电能质量控制技术、微电网技术和固态照明驱动。E-mail: f.wang@shu.edu.cn（通信作者）