基于全桥隔离双向变换器的直流变换技术

师长立 唐西胜 李宁宁 张国伟 孙玉树

（中国科学院电工研究所 北京 100190）



基于全桥隔离双向变换器的直流变换技术

师长立 唐西胜 李宁宁 张国伟 孙玉树

（中国科学院电工研究所 北京 100190）

摘要针对全桥隔离双向变换器移相角调节范围选取问题进行了深入研究。根据同一传输功率下变换器电流应力最小原则，确定了移相角调节范围。针对变换器采用全桥移相控制方式时，产生无功环流的问题进行了定量分析，研究了无功功率的变化规律。基于全桥隔离双向变换器，提出了变开关频率的蓄电池最优充放电管理方案，提高了变换器充放电效率，同时延长了蓄电池使用寿命。最后，搭建了2.5kW实验平台并进行了相关实验，实验结果验证了以上理论分析的正确性。

关键词：移相角 无功环流 无功功率 充放电管理方案

国家高技术研究发展计划（863计划）（2014AA052002），中科院知识创新工程重要方向项目（KGCX2-EW-330）和国家电网公司科技项目（SGSHJY00BGJS1400221）资助。

0 引言

近年来随着以太阳能、风能为代表的新能源产业的兴起，作为新能源利用的有效形式，直流母线式微电网越来越得到国内外学者的关注[1]。如图1所示，由于采用了直流母线结构，直流微电网不存在相位、频率等问题，解耦容易，控制难度相对较小。由于太阳能、风能等新能源发电具有间歇性，为了最大限度利用新能源，同时平抑新能源发电引起的能量波动，减小对电网的冲击，系统需要配备储能环节。为实现直流母线与储能环节的双向流动，双向DC-DC变换器是系统必不可少的环节。在众多双向DC-DC变换器中，全桥隔离双向变换器以其突出的优点引起了大家的关注。全桥隔离双向变换器采用高频变压器实现电气隔离，由于取代了工频变压器，减少了设备的重量与体积，提高了设备的功率密度。采用全桥移相控制方式，可以很方便地实现软开关功能，提高系统工作效率。全桥隔离双向变换器属于典型“一机两用”型系统，提高了设备整体的利用率。

图1　直流母线式微电网示意图Fig.1 Structure of micro-grid with DC bus

国内外学者针对全桥隔离双向变换器进行了大量研究。为消除变换器的无功环流，文献[2]采用了单侧双移相策略，降低了变换器的无功功率含量，提高了变换器的工作效率，但文献中没有给出实现单侧双移相策略的具体控制方式，有待进一步研究。文献[3]采用双侧双移相控制策略，降低了变换器的无功环流以及开关器件的电流应力，提高了变换器的工作效率，该控制策略需要同时改变高频变压器两侧四个桥臂的相位，控制相对复杂，不易实现且对控制器要求较高。文献[4]采用PWM加移相控制策略，提高了工作效率，其控制效果与文献[3]类似，同样存在控制复杂且不易实现的问题。文献[5]对短时间传输过程对变换器的工作影响进行了分析，并未对变换器的无功问题进行研究。文献[6]综合分析了各种移相控制策略，提出了变换器优化控制策略，提高了系统效率，但所提控制策略过于复杂，不易实现。

本文针对全桥隔离双向变换器采用移相控制策略时，移相角调节范围对变换器的影响进行了研究，确定了合理的移相角调节范围，降低了开关器件的电流应力与变换器损耗。针对系统无功环流及无功功率问题进行了分析，确定了其变化规律。针对全桥隔离双向变换器的工作特点，提出了变开关频率的蓄电池充放电管理方案，提高了变换器的效率，同时延长了蓄电池的使用寿命。

1 全桥隔离双向变换器移相角区间选取

全桥隔离双向变换器如图2所示，其工作原理如图3所示，变换器通过控制桥臂，使V1与NV2产生一定的移相角，通过给电感L1充放电实现能量的双向流动。

图2　全桥双向隔离变换器结构Fig.2 Structure block of DAB converter

图3　移相控制算法主要波形Fig.3 Main waveforms of phase-shift control变换器传输功率与移相角的关系为[7]

式中，P为传输功率；fs为变换器开关频率；ϕ为移相角；N为变压器电压比。

图4　输出功率与移相角关系曲线Fig.4 Relation curve of output power with phase-shift angle

传输功率与移相角的关系曲线如图4所示，当功率正向流动时，移相角调节范围为[0,π]；功率反向流动时，移相角调节范围为[-π,0]。以功率正向流动为例，从功率传输角度看，移相角区间[0,π/2]与[π/2,π]的传输功率效果相同。移相角处于[0,π/2]区间，传输功率随着移相角的增加而增加；移相角处于[π/2,π]区间时，传输功率随着移相角的增加而减少。下面从电流应力与无功功率角度分析移相角在[0,π/2]与[π/2,π]区间的区别。

1.1 变换器电流应力分析

如图3所示，在不影响电感电流变化趋势的前提下，忽略短时间工作状态。电感电流iL1分四个主要的工作状态，分别为：工作状态1[0,ϕ ]、工作状态2[ϕ,π]、工作状态3[π,π＋ϕ]和工作状态4[π＋ϕ,2π]。各工作状态的工作原理如图5所示，通过改变电感两端电压源极性来改变电感L1电流的大小与方向，从而实现能量传递，电感电流iL1可由式（2）表示。

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图5　全桥隔离双向变换器工作状态原理Fig.5 Working principle diagram of DAB converter

由式（2）可得电感电流初始值I0为

式（2）与式（3）联立可得iL1的峰值Imax为

Imax相对ϕ的变化曲线如图6所示，由图可知,电流峰值随移相角的增加而增加。变换器传输相同功率时，移相角选在不同移相区间，电流峰值之间的差值ΔImax可由式（5）表示，ΔImax相对于ϕ的变化曲线如图7所示。由式（4）与式（5）可得出结论：在功率传输效果相同的情况下，变换器移相角区间选在[0,π/2 ]所产生的电流峰值比移相角区间选在[π/2,π]小，电流峰值的差值随移相角的增加而减小，因此全桥隔离双向变换器在采用移相控制策略时，选择[0,π/2]作为移相角调节范围，可有效降低系统电流峰值，减小开关器件的电流应力，降低系统损耗。

图6　Imax-ϕ 变化曲线Fig.6 Change curve of Imaxwith ϕ

图7　ΔImax-ϕ 变化曲线Fig.7 Change curve of ΔImaxwith ϕ

利用Matlab软件仿真验证理论分析的正确性,如图8和图9所示。图8对应的仿真参数如下：低压侧电压36V，高压侧电压360V，移相角π/4，开关频率10kHz。图9对应的仿真参数如下：低压侧电压36V，高压侧电压360V，移相角3π/4，开关频率10kHz。对比以上仿真波形，变换器传输功率相同，移相角为π/4时的电感电流峰值明显小于移相角为3π/4的电感电流峰值，验证了以上理论分析的正确性。

图8　移相角为π/4时DAB变换器仿真波形Fig.8 Simulation waveforms of DAB converter with phase-shift angle of π/4

图9　移相角为3π/4时DAB变换器仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of DAB converter with phase-shift angle of 3π/4

1.2 变换器无功功率分析

如图3所示，电压V1与电感电流iL1相位并不是时刻相同，当V1与iL1反相时，能量会发生“倒灌”现象，形成无功环流。

变换器电流为

联立式（6）和式（7），可得

式中，Pb为变换器无功功率；Ts为变换器开关周期；Tϕ为移相角ϕ等效时间。

研究移相角变化对无功功率的影响。图10为无功环流相对于移相角的变化曲线，无功功率随移相角的增加而增加。图11为无功功率相对于输入端电压的变化曲线，无功功率随输入电压V1增加而增加。由以上分析可知，当移相角区间在[0,π/2]时，变换器无功功率明显小于[π/2,π]区间。无功功率随移相角与端电压的变化而变化。因此，在设计全桥隔离双向变换器时，除了考虑有功功率外，还需考虑无功环流对变换器的影响。

图10　Pb-Tϕ变换曲线Fig.10 Change curve of Pbwith Tϕ

图11　Pb-V1变换曲线Fig.11 Change curve of Pbwith V1

分析开关周期Ts对无功功率的影响。当变换器传输功率较小时，变换器中存在大量的无功功率，将Tϕ＝0代入式（8）可得

由式（9）可知，当全桥隔离双向变换器电压V1≠ NV2时，变换器中含有无功功率，且无功功率的含量与变换器开关周期成正比，即与变换器开关频率fs成反比。

2 变开关频率蓄电池充放电管理方案

由以上分析可知，全桥隔离双向变换器中无功功率的含量与变换器开关频率成反比，即开关频率越高，变换器无功功率含量越低。由式（1）可知，变换器传输的有功功率同样与开关频率有关，开关频率越大，变换器传输的最大有功功率越小。蓄电池充放电是全桥隔离双向变换器的主要应用方式之一，为降低蓄电池充放电时，变换器的无功功率含量，同时又不降低变换器传输有功功率的能力，本文提出基于全桥隔离双向变换器的变开关频率蓄电池充放电管理方案，具体控制方法如图12所示。

图12　蓄电池充放电状态机Fig.12 State machine of battery charging and discharging

首先，全桥隔离双向变换器设定两种工作模式：充电模式与放电模式。

变换器工作在充电模式时，设定四种工作状态。工作状态1：最大功率充电状态，变换器开关频率；工作状态2：恒流充电状态，变换器开关频率；工作状态3：恒流充电状态，变换器开关频率；工作状态4：恒压充电状态，变换器开关频率。其中，开关频率值具体值根据变换器的传输功率，由式（1）确定；具体值根据变换器无功功率，由式（9）确定。控制器采集蓄电池的荷电状态（State of Charge,SOC）确定变换器的工作状态。当时，变换器处于工作状态1；当时，变换器处于工作状态2；当时，变换器处于工作状态3；当时，变换器处于工作状态4。蓄电池充电时，变换器根据蓄电池荷电状态的变化，自动转换工作状态，在不影响变换器有功功率传输效率的前提下，降低了变换器的无功功率含量，减小了相应的损耗，提高了充电效率。

变换器工作在放电模式时，设定三种工作状态。工作状态1：最大功率放电状态，变换器的开关频率；工作状态2：恒功率放电状态，变换器开关频率；工作状态3：恒功率放电状态，变换器开关频率。为降低变换器充放电控制策略复杂度，开关频率值X2、X1与充电模式开关频率取值相同。控制器采集蓄电池荷电状态，判断变换器相应的工作状态。当给定输出功率大于变换器最大输出功率且，变换器处于工作状态1；当给定输出功率小于变换器最大输出功率、大于最小输出功率并且，变换器处于工作状态2；当给定输出功率小于最小输出功率且变换器处于工作状态3。变换器根据给定输出功率的不同，在各工作之间进行切换。当蓄电池SOC≤时，不论变换器工作在何种状态，控制器均控制变换器停机，防止蓄电池过放电。所提放电状态机在不影响输出功率的前提下，降低了变换器无功功率的含量，提高了变换器的效率。

3 实验分析

为验证以上理论分析的正确性及所提充放电管理方案的合理性，在实验室搭建2.5kW实验平台进行验证，变换器主控芯片采用TMS320F28335，实验平台主要参数见表1。

按所提蓄电池充放电管理方案进行蓄电池的充放电实验。以蓄电池放电为例，如图13所示，小功率放电时，系统中无功功率占比较大，对比图13a和图13b可发现，开关频率为10kHz时电感电流峰值明显比开关频率为5kHz时小得多，因此，提高变换器开关频率可有效降低系统无功功率，提高系统效率，蓄电池充电波形与之类似，如图14所示。实验波形验证了所提充放电管理策略的可行性与有效性。

图13　不同开关频率系统主要输出波形Fig.13 Main experiment waveforms of system with different switching frequency

图14　不同移相角范围主要实验波形Fig.14 Main experiment waveforms with different phase shift angle

4 结论

本文从电流应力及无功功率的角度出发，分析了全桥隔离双向变换器的移相角调节范围问题，仿真与实验结果表明，[0,π/2]移相区间与[π/2,π]移相区间相比电流应力更小，无功功率含量更少。针对全桥隔离双向变换器应用于蓄电池充放电时所存在的问题，提出了变开关频率的充放电管理方案，并设计了蓄电池充放电状态机。实验结果表明，所提充放电管理方案，可有效降低变换器无功功率含量，并延长蓄电池使用寿命。

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师长立 男，1984年生，硕士，助理研究员，研究方向为直流微电网及其关键技术。

E-mail:shichangli@mail.iee.ac.cn（通信作者）

唐西胜 男，1976年生，副研究员，硕士生导师，研究方向为直流微电网及其关键技术。

E-mail:tang@mail.iee.ac.cn

DC Changing Technologies Based on Dual-Active-Bridge Converter

Shi Changli Tang Xisheng Li Ningning Zhang Guowei Sun Yushu
（Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100190 China）

AbstractThis paper studied the phase-shift angle selection of dual active bridge（DAB）converter.The adjustable range of the phase-shift angle is classified to ensure the current stress of DAB is minimized in condition of the identical transmission power.The reactive circulating current of the converter with phase-shift control is quantitatively analyzed,and the changing characteristics of the reactive power are researched.The battery charging and discharging management scheme using variable switching frequency DAB is proposed,to improve the efficiency of the converter and prolong the lifetime of battery.At last,a 2.5kW experimental platform is established and the experimental results prove the correctness of the theoretical analysis.

Keywords：Phase-shift angle,reactive circulating current,reactive power,charging and discharging management scheme

作者简介

收稿日期2014-02-17 改稿日期 2014-07-03

中图分类号：TM46