基于能量回馈并网系统的双向AC/DC变换器设计*

王长华 蒋晓明 杨海波 刘晓光 唐朝阳



基于能量回馈并网系统的双向AC/DC变换器设计*

王长华 蒋晓明 杨海波 刘晓光 唐朝阳

（广东省智能制造研究所 广东省现代控制技术重点实验室 广东省现代控制与光机电技术公共实验室）

传统能耗型电池化成设备采用不控整流技术，能量只能单相流动，并且对电网产生谐波污染。采用单相电压型PWM整流器与推挽全桥两级拓扑结构，设计一种放电能量回馈型并网变换器。运用电压、电流双闭环控制算法，实现电池充放电功能以及能量回馈并网；给出变换器主功率参数计算、选型；最后进行样机实验。实验结果表明：所设计的双向AC/DC变换器可以实现能量回馈并网，且充放电过程无缝切换。

双向AC/DC；能量回馈；并网系统；推挽全桥

0 引言

双向AC/DC变换器能量可双向流动，具有放电电能回馈并网的优点，广泛应用于动力电池化成分容检测设备、电动汽车与电网互动、蓄电池储能回馈电网等领域。PWM整流器具备电能双向传输的特点[1]，为保证其正常运行，文献[2]给出了在任意PF值下，单相PWM整流器交流侧电感参数的选择方法。

在大多数新能源发电、并电网等领域，基于安全考虑，电气必须隔离。文献[3]提出的数控V2G充放电系统，由双向AC/DC变换器和双向高频隔离DC/DC两级变换器构成。文献[4]在两级式隔离型AC/DC变换器的基础上，提出一种新型的单级隔离双向AC/DC变换器。文献[5]设计了一种电动汽车锂电池化成能量回馈并网系统，通过仿真实验验证了该双向AC/DC变换器的可行性。文献[6]以新一代单片机MPC5604B为核心控制芯片，实现能量双向流动以及锂电池恒压、恒流充放电功能。文献[7]验证了推挽全桥双向直流变换器功率变换器的可逆性。文献[8]根据磁势平衡原理，研究了高频变压器对桥式整流输出的推挽变换器性能影响。

通常动力电池化成设备，电网侧电压较高（单相AC 220 V或者三相AC 380 V）、电流较小；电池端电压较低（十几伏）、电流较大（几十甚至上百安培）。因此，本文选用单相PWM整流器及推挽全桥两级变换器拓扑结构，实现动力电池能量回馈并网。

1 双向AC/DC变换器拓扑结构

基于能量回馈并网系统的双向AC/DC变换器拓扑结构如图1所示。单相电压型PWM整流器电路由1，2，7，8，9，10和1组成；双向DC/DC变换器电路由1，2，3，4，5，6，2，3，3和1组成。充电模式为全桥同步整流DC/DC变换器；放电模式为推挽全桥DC/DC变换器。图1中两级变换器由同一DSP控制，可自动判断电流方向。

2 双向AC/DC变换器的分析及设计

2.1　PWM整流器工作原理分析及设计

PWM整流器简化图及相量图如图2所示。根据基尔霍夫定律，图2(a)的相量方程式为

其中，U为交流电源；ab为PWM整流器输入a、b两端电压；ωLi为电感L两端电压，其中

由图2(b)和图2(c)相量图可知，当交流电源U保持不变时，交流输入电流𝑖𝑠的相位和幅值由电压ab幅值、ab与U的相位共同决定。因此，可通过控制交流输入电流𝑖与交流电压U反相、同相、滞后和超前的方式实现整流或者逆变工作。为实现PWM整流器四象限运行，必须限制电感L取值，文献[2]给出其取值范围

其中，Udc为PWM整流器直流电压；TS1为PWM整流器开关周期；ΔImax为最大交流脉动电流；ω为电网角频率；Us_m为交流峰值电压。

图2　PWM整流器简化图及其相量图

直流支撑电容1用于保证母线电压稳定，抑制直流纹波，缓冲交流侧与直流负载之间能量转交换，其取值关系到变换器性能，文献[1]给出了取值范围

其中，d为PWM整波器输出等效电阻（取50 Ω）；Δmax为直流最大波动电压（取3 V）；T为PWM整流器初始直流电压到额定直流电压的上升时间（取50 ms）。

设输入功率为3.5 kW；交流电压为（220±20%） V；开关频率为20 kHz；母线电压为（400±5%）V，电感L和支撑电容1的计算结果为

实际选取电感L= 2.4 mH；支撑电容1由4个450 V/330 uF的电容并联。

直流母线电压外环与并网电流内环构成的双闭环控制策略如图3所示。给定电压ref与实际电压dc比较，经PI调节器输出值乘以电网锁相电压 sin，得到PFC电感电流给定值ref；ref与实际电感电流I比较值经PI调节器后送至PWM控制器，得到IGBT驱动信号，实现交流侧电感电流对电压跟踪。

图3 PWM整流器控制策略

2.2　双向DC/DC变换器的分析及设计

充电模式下对应的功率输出状态图如图4所示。1和3在0时刻同时导通，2和4关闭，电压dc加到变压器m和n两端，mn值为+dc，电流IP缓慢上升。原边能量隔离传输到副边，二极管5导通，电流流过电池和电容3。由于二极管导通压降为 0.7 V，在大电流流过时，损耗较大。因此，可开通MOS管5，降低导通损耗，实现同步整功能。

图4　充电功率输出状态图

直到1时刻，1和3同时关闭，而2和4仍然关闭（死区时间为2−1），故变压器原边电压为0 V，没有能量传到副边。而原边电流仍然保持原方向流动，二极管4导通构成续流回路。直到2时刻，2和4同时导通，母线电压反向加到变压器m和n两端，mn值为−dc。同理，变压器原边能量隔离传输到副边，6和6导通，实现电池充电功能。

实际应用中，为防止变压器磁芯饱和，需在高频压器原边串联隔直电容2，其计算公式为

总之，作为国家战略的人工智能，正在作为基础设施逐渐与产业融合，加速经济结构优化升级，对人们的生产和生活方式产生深远的影响。□

其中，I3为输出总电流；eff max为副边最大有效占空比；T2为全桥开关周期；取0.1。

放电工作模式下的能量回馈状态图如图5所示。在0时刻，5和6同时导通，电池给电容3充电，电感3储能，电流缓慢上升。1时刻6截止时，5继续导通。高压端1，1，3，3导通，低压端能量通过变压器隔离升压回馈到电容1上，电感3电流缓慢下降。同理，在2时刻，5和6同时导通，电感3储能，电流缓慢上升。在3时刻5截止，6继续导通，高压端2，2，4，4导通，低压端能量通过变压器隔离升压回馈到电容1上，电感3电流缓慢下降。

图5　放电能量回馈状态图

双向DC/DC控制策略图如图6所示。恒压输出时，通过闭环保证输出电压稳定，并且对电流限幅；恒流输出时保证输出电流稳定，并且对电压进行限幅。电池放电时采用恒流放电，当电池电压低于限定值时，停止放电。

图6　双向DC/DC控制策略

3 主功率参数计算

根据上述分析，样机设定参数如表1所示。

表1　样机设定参数

3.1　高频变压器参数计算

不考虑变换器管压降，则高频隔离变压器关键参数计算式为

式(8)为变压器匝比计算公式；式(9)为变压器原边最小电感量计算公式；式(10)为变压器原边电流有效值计算公式；式(11)为磁芯能量传输处理能力计算公式。由式(8)可得电容2取值为0.984 uF。

根据式(8)~式(12)，可得高频变压器相关参数计算结果如表2所示。

查磁芯手册，EE55磁芯窗口面积为11.87 cm4，选其作为变压器。考虑损耗，变压器副边匝数取1，则原边匝数为22。

表2　高频变压器参数计算值

3.2　低压侧滤波参数计算

根据文献[7]，考虑20%负载时，电感电流处于临界连继模式，则滤波电感和电容计算为

其中，Δbat为输出电容纹波电压（取0.05 V）。计算电感3min为0.72 uH，电容3min为1648 uF。实际电感取1.2 uH，10个25 V/330 uF电容并联。

3.3　功率管选型

低压端功率管最小反向耐压如式(15)所示，计算值为54 V。全桥电路由于开关频率较高，故选MOS管（SiHG70N60EF/ IPP075N15N3G）。PWM整流器通常选IGBT（IKW40N120H3）作为功率器件。

4　实验波形分析

本文选用TMS320F28075作为核心控制芯片，设计双向AC/DC变换器，并搭建电池充放电测试平台。电池充电到放电工作模式切换过程的测试波形如图7所示，其中1为交流电压波形，2为交流电流波形。由图7可知：充电模式电流与电压同相，而能量回馈并网工作模式电流与电压反向，充电到放电工作模式切换过程无间隙。

图7　双向变换器工作模式切换测试波形

5　结语

本文选用PWM整流器及推挽全桥两级拓扑变换结构，设计了基于能量回馈并网系统的双向AC/DC变换器。采用电压、电流双闭环控制算法，通过样机实验验证了设计的双向AC/DC变换器能量回馈并网的可行性，且充放电工作模式无缝切换。对电池放电节能具有良好的应用价值。

[1] 张兴,张崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2012．

[2] 李春龙,沈颂华,卢家林,等.任意PF下单相PWM整流器电感参数的选择[J].电力电子技术,2007,41(4):64-65,70.

[3] 贾紫蕊.基于V2G技术的双向AC/DC变换器及其关键技术研究[D].杭州:浙江大学,2014.

[4] 孙孝峰,肖洒,申彦峰,等.一种新型单级双向隔离AC/DC变换器[J].太阳能学报,2017,38(11):2916-2925.

[5] 张宗龙,李丽娟,陈息坤.电动车锂电池能量回馈并网双向AC/DC 变换器[J].电源技术,2017,41(4):605-608.

[6] 张耀,陈息坤,杨胜.锂电池化成双向AC/DC变换器研究[J].电工电能新技术,2014,33(8):32-37.

[7] 李敏裕,马晓军,闫之峰,等.一种推挽全桥双向直流变换器的仿真研究[J].电源技术,2015,39(2):389-391,427.

[8] 郑长明,张加胜,陈瑞,等.一种推挽式变换器的漏感影响研究[J].电测与仪表,2016,53(11):32-38.

Design of Bi-Directional AC/DC Converter Based on Energy Feedback Grid-Connected System

Wang Changhua Jiang Xiaoming Yang Haibo Liu Xiaoguang Tang Zhaoyang

(Guangdong Institute of Intelligent Manufacturing Guangdong Key Laboratory of Modern Control TechnologyGuangdong Open Laboratory of Modern Control & O-M-E Technology)

Traditional energy waste battery formation equipment with uncontrolled rectifier technology cause harmonic pollution to grid and electric currentcirculate from grid to loads only. Two stages topological structure of single phase voltage type PWM rectifier and push-pull full-bridge is chose to solve this problem, a converter of discharged energy feedback to grid-connected is designed in this paper. With voltage and current double closed-loop control algorithm to achieve the function of constant current charge and discharge and energy feedback to grid-connected. Calculation of converter’s main power device parameters and power device selection is given then; Experiment of prototype is completed finally. The experimental results show that energy feedback to grid-connected is achieved by the designed bi-directional AC/DC converter; seamless switching during transform of charging and discharging.

Bi-Directional AC/DC; Energy Feedback; Grid-Connected System; Push-Pull Full-Bridge

王长华，男，1983 年生，硕士研究生，主要研究方向：电力电子技术。

蒋晓明（通信作者），男，1973 年生，博士，副研究员，主要研究方向：电力电子装备技术。E-mail: xm.jiang@giim.ac.cn

广东省科学院发展能力建设专项（2017GDASCX-0115，2018GDASCX-0115，2017GDASCX-0848）；广州市科技计划项目（201707010480）。