双向DC-AC变流器及其运用综述

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(1.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350116;2.厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361000)

双向DC-AC变流器及其运用综述

卢德祥1,杜伟1,2

(1.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350116;2.厦门科华恒盛股份有限公司，福建 厦门 361000)

直流微电网和交直流混合微电网的母线电压控制是微电网的首要环节，母线电压调节通过双向DC-AC变流器完成；电动汽车与电网进行互动(V2G)系统也需双向DC-AC变流器实现。介绍了几种典型的三相双向变流器和单相双向变流拓扑结构，按功率等级和运用场合指出了常用双向变流器的优缺点，分析了传统桥式双向变流器的不足，为双向变流器拓扑结构的改进提供思路。

双向变流器；微电网；V2G；全桥电路

1 引言

微电网组网方式分为直流微电网、交流微电网和交直流混合微电网3种类型[1-3]，是分布式电源并网的发展趋势[4]。在交流微电网中大部分电力负载由交流电通过整流器和缓冲大电容变成直流供电，若采用直流微网，负载直接通过直流电供电，可节约20%的元器件数量和8%的能量损耗[5]。

图1给出了典型直流微电网结构示意图[6-7]，直流微电网通过DC-AC双向变换器与交流配电网进行互动，在直流微网内包含直流用电负载、新能源发电设备(风能、太阳能)和储能设备等组成。微电网有多余能量时，需通过双向DC-AC变流器的逆变功能将电能回馈给电网。微电网自身发电能源无法满足用电设备的需求，此时可通过双向DC-AC变流器的整流功能，将大电网中的电能输送至微电网内，维持微电网系统稳定。直流微电网易产生随机波动，在短路时将可能对直流母线电压造成冲击，极易造成整个直流微电网系统奔溃,故直流微电网的母线电压控制成为首要问题[1,6,8]。为此，研究具备高效率、高可靠性的双向DC-AC变流器应用于直流母线电压控制是直流微电网的首要环节。

电动汽车与电网进行互动V2G(Vehicle to Grid)是家庭微电网的重要环节，美国汽车工程协会对于接触式充电设备制定了SAEJ-1772的标准，根据这项标准，电池和充电功率水平的基础设施可分为三种类型：一级慢速充电方式、二级常规方式和三级快充方式[9]。V2G系统在给电动汽车提供能量的时，还能起到削峰填谷、改善电力负荷曲线、支撑电网以及提高电网稳定性的作用[10]。插电式混合动力车与电网进行互动可提供良好经济性的电网运行调度模式[11-12]。

图1 典型直流微电网

为增强电动汽车充电灵活性，通常会安装车载或便携式的充电机设备，典型的车载或非车载的电动汽车充放电结构如图2所示，车载型充电设备集成在电动汽车车身上，机动性能好便于家用和移动点充电处充电，只需要将充电插头接入单相或者三相电网即可。图2中双向DC-AC变换器是车载充电设备的最主要环节，采用车载充电方式的电动汽车通过双向DC-AC变换器和双向DC-DC变换器向电池组充电，进而维持母线电压稳定。当电动汽车用作储能设备时，电池组通过双向DC-DC和双向DC-AC变流器将电池的电能回馈至电网，实现V2G。研究高可靠性、高效率的双向DC-AC变流器是V2G系统的关键一环。

图2 电动汽车与充电设备结构示意图

2 几种典型三相双向DC-AC变换器

直流微电网和低压交流配电网交互，电动汽车与电网互动的三相双向DC-AC变流器的典型拓扑采用如图3所示电路结构[13-14]。

通常在直流侧接入双向DC-DC变换器实现电网与储能电池之间的交互，采用传统全桥拓扑结构技术成熟，控制易于实现，在工业运用中得到广泛使用；全桥型拓扑结构工作在逆变模式时，通常采用单极性控制实现全桥逆变，单极性调制桥臂输出为三态电平变化使谐波含量小、波形质量提高、滤波器体积减小。全桥型拓扑结构工作在整流模式时，为PWM整流器，相比传统整流桥结构，少一个二极管管压降，因此损耗降低。

图3 传统三相全桥型双向变换器

除了传统全桥双向变换器之外，研究人员对具有输出功率因数可控、正弦输入输出电流、四象限运行以及无需储能大电容单元的矩阵式变流器在V2G系统中的运用进行了研究[15-16]，矩阵式双向DC-AC变换器如图4所示。传统全桥电路工作在整流模式时为三相Boost型PWM整流器，母线电压只能升不能降，实现与储能系统互动通常需两级电路完成；而矩阵式双向变换器工作在整流模式时为三相Buck型PWM整流器，可实现单级降压输出充电。虽然矩阵式变换器能够实现单级充电，但其相比传统全桥型拓扑结构，主桥臂上的开关管数量增加一倍，控制相对复杂。矩阵式双向变换器的研究工作主要是针对其控制策略开展[15-18]，如文献[16]针对车用系统中传统PWM整流器的缺点采用优化AV法进行控制；文献[17]为实现矩阵变流器在全输出范围内减小充电电流纹波而进行分段优化调制。

图4 双向AC-DC矩阵式变换器

为解决传统桥式逆变器同一桥臂开关管的直通隐患问题，提高变换器的可靠性和传统电压型、电流型逆变器存在的不足和局限性可采用Z源逆变器[19-20]。文献[21]对Z源逆变器应用于电动汽车，采用母线电压提升的控制方式，运用到纯电动汽车的电机控制中，其电路结构如图5所示。

图5 双向Z源变换器

Z源逆变器具备升降压功能，可适应输入直流电压大范围变化，允许同一桥臂直通工作，大大提高了逆变器的可靠性。Z源网络与单相逆变器结合构成单相Z源逆变器[22]，双向功率流的Z源变换器不仅能够实现逆变电压的升降而且有效的提高了传统全桥型双向变流器的可靠性，无死区时间设定改善了变换器输出波形质量。但该变换器需增加Z源网络，变换器的无源器件使用数量增加、体积增大，且变换器存在附加的Z源网络损耗。

3 几种典型单相双向DC-AC变换器

功率等级1的充电设备通常用图6的单相全桥电路[7,23]，前级为Buck-Boost型双向DC-DC变换器实现电池组与母线电压之间的能量传递，后级由单相双向全桥型变换器实现直流母线与交流电网交互。

图6 单相全桥双向变换器结构

单相全桥型拓扑具有三相全桥拓扑相同的优点，传统全桥电路技术成熟、相匹配的Power IC和控制策略运用多，电路结构简单易于实现。

文献[24]提出如图7所示的运用于一种插电式混合动力电动车的双向电能变换器，该变换器实现了电池组充电模式、电动汽车与电网互动模式(V2G)以及电动汽车与家庭电网互动模式(V2H)；在V2G模式中采用比例谐振控制，电容电流反馈+比例谐振控制实现V2H模式，在V2H中电动汽车被用作家庭移动式不间断备用电源(UPS)。

图7 裂相三桥臂双向DC-AC变换器

美国家用配电进户为一个13.2kV转240V/120V裂相分布的变压器提供，变压器中心抽头提供120V交流电供给普通家用负载，240V交变电供给重型负载,因此裂相三桥臂双向DC-AC变换器适用于美国家用电网结构[24]。该变换器由一个全桥变换器+一个裂相桥臂组成，同一桥臂开关管控制需死区设定、续流时由开关管体二极管完成。

为减少电动车接入电网的谐波污染文献[25]提出一种如图8所示的集成了非反转Buck-Boost型双向DC-DC的多电平双向AC-DC/DC-AC变换器，该变换器的设计用于降低双向充电设备对电网造成的谐波污染。这种集成式设计的充放电设备可减少大电流电感的使用，同时不需要外接物理开关来切换不同的工作模式，开关管在整流环节和逆变环节进行切换时可正确配置，提高了充放电设备的安全性。但这种集成结构，很大程度上是以牺牲电路器件使用数量和成本来实现的。

图8 多电平集成式双向变流器

双向变换器通常在DC-DC环节采用体积小、效率高的高频变压器代替了传统笨重效率低的工频变压器进行隔离，便于提高整套变流器的效率和减小设备体积。文献[26]采用改进双向PWM整流器和双向DC/DC相结合得出一种能量受控的双向AC-DC变换器拓扑结构并运用到锂电池成品中。文献[27]的双向变流器由3个H桥组合而成与单个H桥+Buck/Boost构成的双向DC/DC变换器相比器件使用控制结构复杂、成本增加。文献[28]在光伏逆变过程抑制漏电流问题的基础上提出增加了两支辅助开关管的全桥逆变+双向DC/DC实现双向功率流动并提高变换效率。为了让变换器同时实现电压可升可降、PFC、高频电气隔离和能量双向两流动，文献[29]提出一种适合运用于380V直流微电网与电网之间的接口设备的单级式隔离三相双向AC/DC变换器及其控制策略，与传统三相电压脉宽调制整流器相比，不需接入双向DC-DC变换，单级电路结构具有功率密度更高的优点。

4 结论

双向DC-AC变换器是微电网母线电压调节和V2G系统的关键设备，介绍了几种典型三相、单相双向DC-AC变流器拓扑结构，分析了不同运用场合时各拓扑结构的优缺点。三相拓扑结构多用在微电网和大功率充电机设备中，便携式的车载充电机节约成本和体积可采用单相拓扑实现。全桥PWM电路结构是双向变流器的主要运用拓扑，可依据传统桥式双向DC-AC变换的不足进行拓扑结构改进研究，以提高变换效率和可靠性。

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ReviewofBidirectionalDC-ACConverterandItsApplication

LUDe-xiang1,DUWei1,2

(1.Fuzhou University,Fuzhou 350116,China;2.Xiamen Kehua Hengsheng Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China)

The bus voltage control of DC micro-grid and AC/DC hybrid micro-grid is the most important part of micro-grid,the regulation of bus voltage and the interaction between electric vehicle and power-grid system(V2G) are both accomplished by bidirectional DC-AC converter.Several typical three phase bidirectional converters and single phase bidirectional converters are introduced.According to the power level and the applications,the advantages and disadvantages of the conventional bidirectional converter are pointed out,and analyze the disadvantages of the traditional bridge bidirectional DC-AC converter.It can provide a method for the improvement of the bidirectional DC-AC converter's topology.

bidirectional converter;micro-grid;V2G;full bridge circuit

1004-289X(2017)03-0001-04

TM46

B

2016-09-09

卢德祥(1990-)，男，汉，硕士，研究方向为电力电子技术；

杜伟(1983-)，男，汉，硕士，工程师，研究方向为电力电子技术。