一种适用于分布式发电的双向DC/DC变换器研究*

冯 斌，吕金历，张中丹，冯智慧，白望望，崔 炎

(1.西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075； 2.国网甘肃省电力公司经济技术研究院，甘肃 兰州 730050)

0 引 言

近年来，受环境保护和能源危机的双重压力，以太阳能光伏、风能为代表的分布式发电系统呈现出快速发展势头，受到行业内研究学者的高度关注[1-2]。伴随着智能电网和信息技术的不断突破，分布式发电在能源领域将扮演更加重要的角色，如何充分高效地利用这些清洁能源也已成为当前的研究热点问题之一。

由于光伏、风电、燃料电池等清洁能源自身没有能量储存的功能，因此当前普遍采用带有储能功能的复合分布式发电系统[3]，它由光伏、风电、燃料电池等分布式电源、蓄电池、单向DC/DC升压变换器、双向DC/DC变换器、逆变器和负载等组成[4]，分布式电源和蓄电池分别通过单向DC/DC升压变换器和双向DC/DC变换器与直流母线相连，直流母线上的直流电通过逆变器转换为额定交流电供给电网或者负载。在该复合分布式发电系统中，双向DC/DC变换器扮演着实现能量双向流动的重要角色。目前应用最多的电路拓扑为传统Buck/Boost双向DC/DC变换器，通过采用开关管替代Buck变换器中的续流二极管，从而实现能量的双向流动，该变换器具有结构简单，可靠性强等优点，在当前的燃料电池供电系统、UPS系统和分布式发电储能系统中得到广泛应用[5]，但该电路存在如下缺点。

(1) 升压比和降压比分别为传统Boost和Buck变换器的变比，变比较小，在输入输出电压变比要求较大的场合，开关器件难以避免极端占空比状态，不利于变换器效率的提高。

(2) 开关管的电压应力为高压侧输入电压UH，UH较高时开关管选型较为困难。

针对传统Buck/Boost变换器存在的上述不足，文中在借鉴前人研究成果的基础上，提出一种新型大变比双向DC/DC变换器设计。

1 新型拓扑的提出

研究学者针对升压型DC/DC变换器和降压型DC/DC变换器分别进行了广泛深入的研究，已提出了多种不同类型的变换器拓扑结构[6-8]，相比而言，双向DC/DC变换器拓扑的研究报道相对较少，但双向DC/DC变换器本质上是升压型DC/DC和降压型DC/DC变换器的集成和组合而来，因此可以借鉴研究学者已提出的升压型和降压型DC/DC变换器拓扑的思路来构建新型双向DC/DC变换器拓扑。

图1为文献[7]、[8]中分别用来构建升压型和降压型DC/DC变换器所提出的开关电感网络，图1(a)所示的开关电感有源网络由电感L1、L2和开关管S1、S2构成，具体的工作原理如图2(a)和(b)所示，当开关管S1、S2同时导通时，电感L1和L2并联充电；开关管S1、S2关断时，电感L1和L2串联放电，利用电感L1和L2“并联充电和串联放电”实现升压功能，文献[7]中利用该网络构建出一种新型升压型DC/DC变换器。图2(b)所示开关电感网络由电感L1、L2和二极管D1、D2构成，当二极管D1和D2导通时，电感L1和L2并联放电，二极管D1和D2截止时，电感L1和L2串联充电，与图2(a)的有源网络恰好相反，该网络利用电感L1和L2“串联充电和并联放电”来实现降压功能，同样文献[8]中利用该网络构建出新型降压型DC/DC变换器。

图1 两种开关电感网络

图2 开关电感网络工作原理

在制造工艺上，开关管MOSFET和IGBT都自身集成带有反并联体二极管，利用器件的该特点，结合图1中的升压型有源网络和降压型无源网络可以构建出一种双向开关电感网络结构，如图3(a)所示。需要说明的是，如果在绘制原理图时考虑到开关管的反并联二极管，图1(a)所示的升压型有源网络结构和图3(a)所示给出的双向开关电感有源网络的结构是相同的，但在升压型有源网络中反并联体二极管在变换器整个工作模态中并不参与工作，有没有反并联体二极管对变换器的正常工作并不影响，而图3(a)所示的拓扑结构中的二极管在降压模式下是参与导电工作的，缺少该二极管，变换器将不能正常工作，该网络结构更强调的是具有能量双向流动的功能。

利用双向开关电感网络结构可以构建出一种新型的双向DC-DC变换器拓扑，如图3(b)所示，其中UL代表低压侧端电压，UH为高压侧端电压，电容CL和CH为低压侧和高压侧的滤波电容。S1-S3为开关管，D1-D3分别为开关管S1-S3的反并联体二极管。

图3 新型双向DC/DC变换器

2 工作原理分析

以分布式发电中的储能系统为例进行阐述，UL表示储能电池端电压，CH表示直流母线侧端电压。该变换器具有两种Boost升压和Buck降压两种工作模式，当工作在Boost升压模式下时蓄电池通过双向DC/DC变换器提升电压等级，为右侧的直流母线提供能量，同时保持直流母线电压的稳定。当变换器工作在Buck降压模式时，从直流母线通过双向变换器降压为蓄电池进行充电，由此来实现能量的双向流动。

为了简化所提变换器工作原理的分析，作如下基本假设：所有功率开关器件均为理想器件，不考虑寄生参数的影响；电感L1，L2为同一规格，大小相等；变换器工作在电感电流连续导电 (continuous conduction mode, CCM)模式，在一个完整工作周期内，电感电流不断流。

2.1 Boost升压模式

在一个工作周期TS内，连续导电模式包含两个基本工作模态，其等效电路如图4(a)和(b)所示，下面依次进行分析。

图4 所提变换器的等效电路图

(1) 模态1[t0,t1]:开关管S1和S2导通，S3关断，二极管D1-D3截止，此阶段变换器的等效电路如图5(a)所示。此时电感L1，L2并联在蓄电池两端进行充电，电感电流iL1和iL2线性上升，电容CH为直流母线提供能量，因此L1和L2的端电压为：

uL1=uL2=UL

(1)

(2) 模态2[t1,t2]:开关管S1-S3关断，二极管D3导通，D1和D2截止，变换器的等效电路如图4(b)。此时电感L1，L2串联放电，电感电流iL1，iL2线性下降，蓄电池和电感L1、L2对电容CH进行充电，并对直流母线提供能量，因此该阶段L1和L2的端电压为：

(2)

在一个开关周期中，结合式(1)和式(2)，根据电感伏秒平衡，可得：

(3)

联立式(3)中的方程，可得：

(4)

2.2 Buck降压模式

与Boost模式相类似，在一个周期TS内，连续工作模式同样包含两个基本工作模态等效电路如图5(c)和(d)所示，具体工作过程分析如下。

(1) 模态1[t0,t1]:开关管S3导通，S1和S2关断，二极管D1-D3截止，此阶段变换器的等效电路如图4(c)。此时高压侧电源UH与电感L1，L2串联对电容CL和蓄电池进行放电，电感L1和L2串联充电，电感电流iL1和iL2线性上升，此阶段L1和L2的端电压为：

(5)

(2) 模态2[t1,t2]:开关管S1-S3关断，二极管D1和D2导通，D3截止，变换器的等效电路如图4(d)。此时电感L1，L2并联对电容CL和蓄电池放电，电感电流iL1，iL2线性下降，此阶段L1和L2的端电压为：

uL1=uL2=UL

(6)

在一个开关周期中，结合式(5)和式(6)，根据电感伏秒平衡，可得：

(7)

联立式(7)中的方程，可得：

(8)

3 电路特性讨论

3.1 电压转换比

由式(4)、(8)可知，新型的双向DC/DC变换器工作在Boost和Buck模式下的电压转换比为：

(9)

图5给出了文中所提双向DC/DC变换器与传统Buck/Boost双向变换器在电压转换比性能的对比，从图5(a)和(b)中可看出所提变换器较传统Buck/Boost变换器在相同占空比时，均可实现更高的升压比或降压比。在输入输出电压变换比大的场合，开关管可避免极端占空比状态，有利于变换器效率的提升。

图5 电压转换比对比

3.2 开关器件电压应力

当变换器工作在Boost模式下时，开关管S1和S2的电压应力相等，均为蓄电池和电感L2端电压之差，即：

(10)

开关管S3的体二极管的电压应力为输出直流母线侧电压UH和电感L2端电压之和，即：

uD3=UH+uL2=UH+UL

(11)

当变换器工作在Buck模式下时，开关S3的电压应力，均为蓄电池和电感L2端电压之和，即：

uS3=UH+uL2=UH+UL

(12)

开关管S1和S2的体二极管电压应力相等，均为直流母线侧电压UH和电感L2端电压之差，即：

(13)

4 仿真研究

为了验证文中所提新型双向DC/DC变换器工作原理和电路特性分析的正确性，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型进行验证分析，具体仿真参数如表1所列。

表1 仿真模型参数

图6(a)和(b)为变换器工作在Boost升压模式下的仿真波形图，从图6(a)中可以看出，在占空比为0.6时，蓄电池低压侧电压端电压为95 V，经过双向DC/DC变换器后升压到378.5 V，实际升压增益与理论推导公式(4)基本吻合，变换器在避免极大占空比的情况下实现了高增益升压的功能。

图6 仿真波形

图6(b)为电感L1、L2电流iL1、iL2和开关管S1和S2的端电压uS1、uS2仿真波形，电感电流iL1、iL2大小相等，当开关管S1、S2导通时，电感电流线性增加，开关管S1、S2关断时，电感电流线性减小。从图中可以看出开关管S1和S2的电压应力接近237 V，这与理论推导公式(10)相吻合，开关管S1和S2的电压应力较低。

图6(c)和(d)为变换器工作在Buck降压模式下的仿真波形图，在占空比为0.4，高压侧电压为380 V时，蓄电池低压侧电压输出约为95.5 V，与理论推导公式(8)相吻合，变换器在避免了极小占空比的情况下实现了大变比的降压功能。在降压模式下，电感电流与升压模式不同的是反方向充电和放电，所以电感电流iL1和iL2为负值。从图6(b)中可以看出，开关管S3的电压应力接近475 V，与理论分析公式(12)相吻合。

5 结 语

基于开关电感有源网络提出了一种新型大变比双向DC/DC变换器，分析了其基本工作原理及电路特性，利用Matlab/Simulink搭建了电路仿真模型，仿真结果表明，所提变换器可以正常有效地工作，且新型双向DC/DC变换器具有比传统双向Buck/Boost更强的升压和降压能力，能够避免极端占空比而实现大变比的升降压功能。