适于可再生能源发电储能系统中的双向直流变换器

吴贵洋，王建章，胡雪峰

（安徽工业大学电气与信息工程学院，马鞍山243032）

双向直流变换器是含储能系统低压可再生能源并网发电中的重要组成部分[1-4]。在储能系统中，双向直流变换器有双向输送能量的作用[5-7]。

传统双向直流变换器[8]可以实现能量双向变换，在功能上相当于一个基本Boost变换器和一个基本Buck变换器，结构简单，但存在着输入电流与输出电流纹波大、开关管电压应力大、电压变换比小等不足。文献[9]中的交错并联双向直流变换器把两个电感电流进行交错并联，降低了输入电流纹波，有利于改善变换器的效率和优化变换器的动态响应，而该变换器没有提高升压比，难以适用于输入输出电压变换比大的场合；文献[10-12]利用单相耦合电感研究了双向直流变换器，提高了电压变换比，但该结构输入电流和输出电流纹波较大且漏感会造成开关管两端的电压尖峰，影响变换器的转换效率。

本文研究了一种双向大变比直流变换器，在低压侧采用了2个电感交叉并联的结构，而在高压侧采用了2个分压电容交叉串联的连接方式。两相交错双向直流变换器在升压转换中具有较高的电压增益和低输入电流纹波；在降压转换中，具有较好的输出降压功能和低输出电流纹波。文中详细分析了该变换器的工作原理，搭建了一台实验样机，验证了理论分析的可行性。此外，本文所提变换器具有输入和输出电流连续、开关管电压应力小等特点，在光伏、燃料电池等低压可再生能源发电储能统中有很好的应用价值。

1 拓扑结构及其工作原理

1.1 拓扑结构

本文研究了一种新型交错式双向直流变换器，该变换器由低压侧、双向部分和高压侧3部分组成，可实现Boost和Buck两种工作模式，其电路结构如图1所示。在升压转换中，开关管S1和S2驱动信号相位角相差180°，其占空比大于0.5；在降压转换中，开关管S3和S4驱动信号相位角相差180°，其占空比小于0.5。

图1 新型交错式双向直流变换器Fig.1 Novel interleaved-type bidirectional DC/DC converter

1.2 工作原理

1.2.1 Boost模式

假设电路工作在CCM模式下。开关管S1和S2为主开关管，开关管S3和S4工作在同步整流状态。在一个开关周期内变换器可以分为4个开关状态，其主要工作波形和各模态等效电路分别如图2和图3所示。

1）模态Ⅰ[t0-t1]

如图3（a）所示，在 t0时刻开关管 S1、S2导通，S3、S4关断，低压侧输入电源向电感L1和电感L2充电，其电感电流iL1、iL2线性增加，直到S2关断，此阶段结束，进入下一模态。可推导出电感电压VL为

2）模态Ⅱ[t1-t2]

由图3（b）可以看出，开关管 S1、S4导通，S2、S3关断。L2储存的能量转移到电容CH2中，CH2的电压为VCH2，iL2线性降低。同时电源继续向L1充电，iL1线性增加，则有

图2 Boost模式下主要工作波形Fig.2 Key working waveforms in Boost mode

图3 Boost模式下各模态等效电路Fig.3 Equivalent circuit of each switching mode in Boost mode

3）模态Ⅲ[t2-t3]

重复模态Ⅰ的过程，iL1和iL2同模态Ⅰ。

4）模态Ⅳ[t3-t4]

这一模态的电流流通路径如图3（c）所示。在t3时刻，开关管 S1关断，S2维持开通，S3导通，S4继续关断。L1储存的能量向 CH1充电，CH1的电压为 VCH1，iL1线性降低。同时电源继续向L2充电，iL2线性增加，则有

1.2.2 Buck模式

假设电路工作在CCM模式下。S3和S4为主开关管，S1和S2处于同步整流状态。在一个稳定周期内变换器有4个开关模态，其主要工作波形如图4所示，各模态等效电路如图5所示。

1）模态Ⅰ[t0-t1]

在 t0时刻 S2、S3导通，S1、S4关断。CH1的储存能量向L1充电，iL1线性增加。同时L2的能量转移到低压侧，低压侧输出电压为VoL，iL2线性降低，则有

2）模态Ⅱ[t1-t2]

该模态中，开关管 S3、S4关断，S1、S2导通，如图5（b）所示。L1、L2的能量转移到低压侧，iL1、iL2线性减小。当S4导通时此阶段结束，则有

3）模态Ⅲ[t2-t3]

如图5（c）所示，在 t2时刻，开关管 S4开通，S3继续关断，S1维持开通，S2关断。电容CH2储存的能量向电感L2充电，电感电流iL2线性增加。同时电感L1的能量转移到低压侧，电感电流iL2减小，则有

图4 Buck模式下主要工作波形Fig.4 Key working waveforms in Buck mode

4）模态Ⅳ[t3-t4]

重复模态Ⅱ的过程，iL1、iL2同模态Ⅱ。

图5 Buck模式下各模态等效电路Fig.5 Equivalent circuit of each switching mode in Buck mode

2 稳态性能分析

2.1 电压增益

2.1.1 Boost模式电压增益

根据稳态时电感的伏秒平衡原理，由式（1）、式（3）和式（5）可得

由式（13）、式（14）和式（15）可得

同理可得

由式（16）和式（17）可得

Boost模式下的电压增益α为

2.1.2 Buck模式电压增益

主产区小麦价格持续走强，尤其华北局部价格已经逼近政策“天花板”。考虑到政策调整及制粉企业的接受能力，后期麦价持续上涨的几率已经不大。

根据稳态时电感的伏秒平衡原理，由式（7）、式（9）和式（11）可得

由式（20）～式（22）可得

同理可得

由式（23）和式（24）知

Buck模式下的电压增益β为

2.2 电流纹波分析

2.2.1 Boost模式输入电流纹波分析

输入电流为电感L1电流与电感L2电流之和，且在T1期间同时线性增加，则有

将式（13）、式（14）和式（27）代入式（28），可得

2.2.2 Buck模式输出电流纹波分析

由式（7）和式（23）可知，电感 L1电压 VL1为

将式（26）代入式（31）可知

电感L1电流仅在T1期间增加，电感L1电流纹波可表示为

输出电流由电感L1电流与电感L2电流提供，在T1模态电感L1电流增加，电感L2电流减少，从图4可知，输出电流纹波可表示为

将式（26）代入式（34），可得

图6 Boost模式实验波形Fig.6 Experimental waveforms in Boost mode

2.3 开关器件的电压应力

在主开关管S1、S2占空比大于0.5时，变换器工作在Boost模式，开关管S1、S2和S4承受的最大电压应力均为输出电压的一半，而开关管S3所承受的最大电压应力为输出电压；在主开关管S3、S4占空比小于0.5时，变换器工作在Buck模式，S1、S2和S4承受的最大电压应力均为输入电压的一半，而开关管S3所承受的最大电压应力为输入电压。较传统的交错并联双向直流变换器相比，该变换器开关器件的电压应力得到了降低。

3 实验分析

为验证该变换器的工作原理，研制了1台实验样机，参数为：低压侧电压为25 V，高压侧电压为200 V，L1=L2=200 μH，CH1=CH2=CL=100 μF，RH=249 Ω，RL=20 Ω，开关频率 fS=40 kHz，开关管 S 均选用IRFP450。

图6为Boost模式输入电压VL=25 V、占空比Dup=0.75时实验波形。

由图6（a）、（b）可知，开关管 S1、S2和 S4的电压应力约为100 V，开关管S3的电压应力虽然有3种状态，但其中相邻状态之间转换电平也只有输出电压的一半；由图6（c）、（d）可知，两相电感电流进行了交错运行，使得输入电流纹波大幅度的减小。由图6（e）知，输出侧电容CH1的电压约为100 V，高压侧输出电压约为200 V，与理论分析一致。

图7为Buck模式输入电压VH=200 V、占空比Ddown=0.25 时的实验波形。由图7（a）、（b）可知,开关管S1、S2和S4的电压应力约为 100 V，开关管S3的电压应力也得到了明显的降低；由图7（c）、（d）可知，两相电感电流进行了移相交叉运行，有效降低了输出电流纹波，实验结果很好地验证了该变换器的工作原理及其稳态特性。

图7 Buck模式实验波形Fig.7 Experimental waveforms in Buck mode

4 结论

本文研究了1种新型交错式双向直流变换器，分析了该变换器的工作原理，推导出在Boost模式下输入电流和Buck模式下输出电流纹波表达式，并通过1台样机进行了实验验证。实验结果表明，该结构具有以下特点。

（1）电压变换比得到了提高。在Boost模式电压增益是基本Boost变换器的两倍，在Buck模式电压增益是基本Buck的一半。

（2）开关器件电压应力低。新型拓扑的开关器件电压应力得到了降低，有利于选择小功率高性能的开关器件。

（3）电流纹波小。在Boost模式下具有输入电流纹波小，在Buck模式下具有输出电流纹波小的特点，因而有利于减轻对前级变换器和储能电池产生相应的电磁干扰。

基于以上特点，该双向变换器在光伏、燃料电池等低压可再生能源发电储能统中有很好的应用价值。