應(yīng)用于新能源發(fā)電的雙向DC/DC變流器研究及仿真驗(yàn)證

由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)原因，新能源已經(jīng)引起了全球范圍的極大關(guān)注。目前所使用的新能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、潮汐能、氫能和生物能等。由于絕大多數(shù)新能源以電能形式產(chǎn)生，因此電能變換技術(shù)的創(chuàng)新對(duì)于使用新能源時(shí)的成本就變得非常關(guān)鍵。

雖然對(duì)可再生能源的研究取得了一定進(jìn)展，但是也存在一些內(nèi)在問(wèn)題。其一為間歇性，即可再生能源輸出的功率不是恒定的；其二為相對(duì)于電力負(fù)荷，可再生能源反應(yīng)比較慢。通常，可再生能源與儲(chǔ)能單元結(jié)合可增強(qiáng)系統(tǒng)性能或?qū)崿F(xiàn)附加的功能。

作為一種新穎的電力電子變流器，多端口雙向DC／DC變流器越來(lái)越多地應(yīng)用于以燃料電池、太陽(yáng)能和風(fēng)能為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)。它可以有效地將儲(chǔ)能裝置、新能源發(fā)電設(shè)備以及負(fù)載結(jié)合起來(lái)。同時(shí)，還可以克服新能源發(fā)電系統(tǒng)的內(nèi)在缺點(diǎn)，具有功率密度高、易實(shí)現(xiàn)集中控制和能量管理等優(yōu)點(diǎn)。盡管多端口變流器越來(lái)越多地應(yīng)用于新能源發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、UPS和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)等，但所提出的多端口變流器的拓?fù)浠蚨嗷蛏倬哂幸韵氯秉c(diǎn)：功率單向流動(dòng)；無(wú)電氣隔離；高電流應(yīng)力；元器件數(shù)量多；控制復(fù)雜；多個(gè)電源不能同時(shí)傳遞功率。

穩(wěn)態(tài)分析

為解決上述問(wèn)題，這里提出一種三端口雙向DC／DC變流器。它由低壓側(cè)兩個(gè)有源全橋、高壓側(cè)一個(gè)有源半橋及一個(gè)三繞組高頻變壓器組成，如圖1所示。該變流器具有以下優(yōu)點(diǎn)：有電氣隔離；輸入電流紋波?。粺o(wú)需輔助電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)；電容數(shù)量少；低壓側(cè)開關(guān)應(yīng)力低；可在多個(gè)電源之間單獨(dú)或同時(shí)傳遞功率；由于變壓器的變比高，可以匹配不同電壓等級(jí)。

低壓側(cè)分別連接儲(chǔ)能單元，例如蓄電池和超級(jí)電容器。變壓器的漏感起到儲(chǔ)能和能量傳遞作用。升壓模式下變壓器兩側(cè)理想的電壓和電流波形如圖2所示。變壓器低壓側(cè)兩個(gè)全橋分別產(chǎn)生方波電壓ur12(結(jié)構(gòu)A1中)，ur56(結(jié)構(gòu)A2中)，變壓器高壓側(cè)產(chǎn)生方波電壓ur34。通過(guò)調(diào)節(jié)3個(gè)開關(guān)橋方波電壓之間的移相角可以實(shí)現(xiàn)并控制雙向功率流動(dòng)。

其中ur12與ur34間的移相角定義為φ13，而ur56與ur34間的移相角定義為φ53。當(dāng)ur12和ur56超前于ur34時(shí)，φ13和φ53為正，這時(shí)能量從低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)，變流器工作在升壓模式，使高壓側(cè)電壓保持恒定。能量反向流動(dòng)時(shí)，變流器工作在降壓模式，對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電。從圖2可見，一個(gè)完整的開關(guān)周期可分為6個(gè)階段。變壓器漏感電流ir13，ir53和ir15為θ的函數(shù)，θ=ωt，ω為開關(guān)頻率。

式(7)表明，可通過(guò)移相角或開關(guān)頻率控制系統(tǒng)的功率流動(dòng)。考慮到變壓器的體積，選擇固定開關(guān)頻率。則通過(guò)φ13和φ53控制功率流動(dòng)。變流器ZVS條件

三端口變流器的換流機(jī)制與二端口變流器相似，即將關(guān)斷的開關(guān)器件，會(huì)將電流轉(zhuǎn)移到相應(yīng)諧振電容中，利用電容電壓不能突變的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷。利用諧振電容的充放電，使得開關(guān)管反并聯(lián)二極管開通后，再開通開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)零電壓開通。然而，對(duì)于三端口變流器，由于有兩個(gè)輸入級(jí)相互影響，軟開關(guān)條件相對(duì)更復(fù)雜。

從圖2可推出升壓模式下的軟開關(guān)條件。在升壓模式下，開關(guān)管零電壓開關(guān)(ZVS)的實(shí)現(xiàn)與開關(guān)管關(guān)斷前時(shí)刻的初次級(jí)電流的狀態(tài)有關(guān)，簡(jiǎn)單解釋為即將關(guān)斷的開關(guān)管流過(guò)正向電流，不同時(shí)刻的電流要求為：

其中函數(shù)f1～f6分別表示開關(guān)管VS1(VS1’)，VS5(VS5’)，VS3，VS2(VS2’)，VS6(VS6’)，VS4的軟開關(guān)條件。由式(1)～(8)可以推出VS3，VS4可完全實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，而VS1(VS1’)，VS2(VS2’)和VS5(VS5’)，VS6(VS6’)的軟開關(guān)條件受到φ13，φ53范圍的限制，意味著有源橋雙向DC／DC變流器一個(gè)輸入級(jí)電路的軟開關(guān)條件受到另一個(gè)輸入級(jí)中控制變量的影響。則要根據(jù)兩個(gè)輸入級(jí)電路控制變量間的相互影響，合理選取φ13，φ53的值。

仿真結(jié)果

變流器電路的仿真參數(shù)為：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。升壓模式下仿真波形如圖3所示。可見，當(dāng)開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)，給開關(guān)器件施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)，開關(guān)器件可實(shí)現(xiàn)ZVS。

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