用于超級電容儲能系統的三電平雙向直流變換器及其控制

胡 斌 楊中平 黃先進 史京金 趙 煒

用于超級電容儲能系統的三電平雙向直流變換器及其控制

胡 斌1楊中平1黃先進1史京金2趙 煒2

（1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2. 北京市地鐵運營有限公司地鐵運營技術研發中心 北京 102208）

傳統兩電平 DC-DC變換器開關器件承受電壓應力高，輸出電流紋波大。本文采用一種三電平雙向直流變換器控制超級電容的能量流動，有效提高了超級電容充放電效率和輸入電壓等級。分析了三電平雙向直流變換器的工作原理及其控制策略，在Matlab/Simulink平臺上搭建仿真模型，驗證了三電平雙向直流變換器拓撲的優點，并實現了對直流網壓、飛跨電容電壓以及超級電容充放電電流的控制；樣機實驗表明了該變換器及其控制的合理性和有效性。

三電平 雙向直流變換器 飛跨電容 超級電容 控制策略

1 引言

1980年，A. Nabae等人提出了三電平逆變器，有效降低了開關管電壓應力，且輸出電壓諧波含量小[1]；如今，三電平和多電平逆變器已經廣泛應用于交流調速、電能質量管理、新能源等領域。在三電平逆變器理念的基礎上，1992年，Meynard T A和 Foch H提出了幾種非隔離的飛跨電容型多電平直流變換器；同年，Pinheiro J R和 Barbi I提出了三電平直流變換器的概念[1]；1999年，阮新波教授和他的團隊開始研究三電平直流變換器及其軟開關技術，經過不懈努力，取得了大量研究成果[1-3]。

與三電平逆變器一樣，三電平雙向直流變換器相對于傳統兩電平直流變換器，其主要優勢在于：開關管承受的電壓應力是兩電平直流變換器的1/2，且可以大大減小輸出電感的體積、降低動態響應時間[1-3]；正是由于這兩個優點，三電平雙向直流變換器在高直流電壓以及低壓大電流等場合應用前景廣闊。

超級電容是新型儲能器件的代表，并以其充放電速度快、功率密度高、無污染、壽命長等優點成為近年來各國學者的研究熱點；而城市軌道交通的主要運行特點為站間距短、車輛啟動和制動頻繁、能量交互多、交互能量不大但功率等級高；研究表明，超級電容特性能夠很好地匹配城市軌道交通的運行特點[4-5]，所以，將超級電容儲能系統應用于城市軌道交通有較高的研究價值。

目前，國內的城市軌道交通牽引供電制式分DC750V和DC1 500V兩種，新建線路考慮減小損耗的因素，通常選擇 DC1 500V供電制式，其正常允許波動電壓范圍為 DC1 000～1 800V[6]；作為聯系直流牽引網和超級電容的中間轉換媒介，雙向直流變換器的選擇至關重要，由于城市軌道交通直流牽引網電壓等級高，且輸出電流大，所以，采用三電平雙向直流變換器與超級電容共同構成超級電容儲能系統是最為理想的選擇。

本文介紹了一種帶飛跨電容的輸入輸出共地非隔離型三電平雙向直流變換器拓撲原理及其應用于超級電容儲能系統中時的控制策略，并從仿真和實驗兩個方面對拓撲原理和控制策略進行了有效驗證。

2 三電平雙向直流變換器

2.1 工作原理

如圖1所示為三電平雙向直流變換器拓撲。 其中，VH為輸入側直流電源，對應于城市軌道交通直流牽引網；CH為高端支撐電容，L為輸出電感；Q1～Q4為四支IGBT開關管，Q1和Q2，Q3和Q4交錯工作，驅動信號相差 180°，Q1與 Q4，Q2與 Q3互補導通；Cfly為飛跨電容，工作電壓 UCfly=UH/2。

圖1 三電平雙向直流變換器拓撲Fig.1 Three-level bi-directional DC-DC converter topology

圖2 和圖3分別為三電平雙向變流器的工作狀態和工作波形。變換器工作在 Buck和 Boost兩種狀態時，其區別僅為電感電流方向相反，以下以Buck工況為例，說明三電平雙向直流變換器的工作原理：

圖2 三電平雙向直流變換器的工作狀態Fig.2 Three-level bi-directional DC-DC converter working state

圖3 三電平雙向直流變換器的主要工作波形Fig.3 Three-level bi-directional DC-DC converter main working waveforms

Buck D＞0.5時：①t0-t1段，開關管 Q1和Q2導通，電感電流增大，UAB=UH，Cfly不動作；②t1-t2段，開關管 Q1和 Q3導通，電感電流減小，UAB= UH/2，Cfly充電；③t3-t4段，開關管Q2和 Q4導通，電感電流減小，UAB=UH/2，Cfly放電。Buck D＜0.5時：①t0-t1段，開關管 Q1和 Q3導通，電感電流增大，UAB=UH/2，Cfly充電；②t1-t2段，開關管 Q3和Q4導通，電感電流減小，UAB=0，Cfly不動作；③t2-t3段，開關管Q2和Q4導通，電感電流增大，UAB=UH/2，Cfly放電。

再對三電平雙向直流變換器的工作波形加以分析，可得到其外特性關系式

Buck D＞0.5時：

Buck D＜0.5時：

在式（1）、式（2）中USC為超級電容端電壓，T為IGBT開關周期，Ton、Toff分別為一個周期中的開通和關斷時間；從兩式可以看出，三電平雙向直流變換器的外特性與兩電平雙向直流變換器相同，但輸出等效開關頻率是兩電平雙向直流變換器的 2倍，所以在輸出電流紋波不變的情況下，能有效減小電感體積；且與兩電平雙向直流變換器不同的是，輸出的超級電容端電壓由 0、UH/2和 UH三種電平擬合而成，從而輸出電壓的交流分量比兩電平小很多，提高了變換器的動態性能及效率。

2.2 控制策略

用于城市軌道交通牽引供電系統的超級電容儲能系統，主要目的是維持直流網壓恒定，防止網壓過大波動；同時吸收剩余再生制動能量，減少再生失效的發生[7-8]。因此傳統兩雙向直流變換器采用電壓電流雙閉環控制策略：外環為輸入電壓環，內環為超級電容電流環，根據輸入電壓誤差的大小確定充放電電流的大小和方向[8-9]。其控制框圖如圖4所示。

圖4 兩電平雙向直流變換器控制框圖Fig.4 Two-level bi-directional DC-DC converter control block

對與三電平雙向直流變換器而言，除了電壓電流的雙閉環控制需保留外，還需引入飛跨電容電壓控制，使得其工作電壓 UCfly=UH/2，進而保證變換器在工作過程中各器件承受的電壓應力始終為直流牽引網電壓的 1/2[1,3,10-11]。

圖5所示為三電平雙向直流變換器控制框圖，通過第2.1節的分析可知：

圖5 三電平雙向直流變換器控制框圖Fig.5 Three-level bi-directional DC-DC converter control block

在超級電容充電過程中，開關管 Q1導通時飛跨電容充電，開關管Q2導通時飛跨電容放電。所以，當 UCfly＜UH/2時，應在控制中使 Q1占空比增大、Q2占空比減小來提升飛跨電容電壓；而 UCfly＞UH/2時，應在控制中使 Q2占空比增大、Q1占空比減小來降低飛跨電容電壓。

同樣地，在超級電容放電過程中，開關管 Q1導通時飛跨電容放電，開關管Q2導通時飛跨電容充電。所以，當 UCfly＜UH/2時，應在控制中使 Q2占空比增大、Q1占空比減小來提升飛跨電容電壓；而UCfly＞UH/2時，應在控制中使 Q1占空比增大、Q2占空比減小來降低飛跨電容電壓。

3 仿真驗證

根據2.1和2.2中介紹的三電平雙向直流變換器工作原理和控制策略，在Matlab/Simulink平臺搭建了三電平超級電容儲能系統仿真模型[12]，仿真目的如下：

（1）通過對比器件電壓應力、輸出電感電流紋波等，驗證三電平雙向直流變換器的優點；

（2）通過控制直流網壓、超級電容充放電電流和飛跨電容電壓，驗證三環控制策略的可行性和合理性。

圖6所示為仿真中采用的三電平超級電容儲能系統主電路拓撲：在輸入側采用功率曲線的方式，模擬城市軌道交通車輛的牽引和制動能量；Rre為泄放電阻，當輸入功率大于超級電容所能承受的最大功率時用以吸收剩余能量，將直流母線電壓保持在給定值，防止其抬升過高；CT和VT分別為電流電壓傳感器，采集直流母線電壓、飛跨電容電壓以及輸出電感電流并通過 2.2中的控制邏輯使整個系統正常工作，表1給出了仿真模型中的主要參數：

圖6 三電平超級電容儲能系統仿真模型Fig.6 Three-level super capacitor energy storage system simulation model

表1 仿真模型參數表Tab.1 Simulation model parameter chart

首先對三電平雙向變換器原理、即輸出電感電流紋波和器件承受電壓應力的仿真結果進行分析，如圖7所示：

圖7 電流紋波和電壓應力的仿真Fig.7 Simulation of current ripple and voltage stress

（1）根據DC-DC變換器電流紋波的算式為

對于傳統兩電平雙向變流器而言，當UH=750V、D=0.25時，代入表1參數可得，電流紋波ΔI=14A；而圖7中由于等效開關頻率的提升，可使變換器的電流紋波明顯減小，

（2）在UH=750V的前提下，從圖7可見，開關管在關斷過程中承受的電壓應力為375V，實現了降低器件關斷電壓應力到輸入電壓 1/2的目標。

在仿真模型中也對三環控制策略的控制效果進行了分析，圖 8給出了控制系統的工作流程：

圖8 仿真模型控制系統工作流程Fig.8 Simulation model control system working flow

依據圖8中的控制思想，運行仿真模型可得到各個控制閉環的仿真效果如下所示：

圖9所示為直流母線電壓的閉環控制效果：當網壓過高時，超級電容開始充電，直流母線電壓被抑制在 850V不再上升；而當網壓過低時，超級電容開始放電，直流母線電壓被鉗位在750V不再下降；充放電過程中直流母線電壓很好地跟隨電壓指令。

圖9 直流母線電壓控制效果Fig.9 DC net voltage control effect

圖10 所示為超級電容充放電電流的控制效果，由于仿真時間較短（1.5s），所以整個仿真過程中超級電容的電壓基本維持不變，令USC=300V，在仿真中 ILMAX=±167A，且由表 1可知，PMAX=±50kW；對比可知：在輸入功率曲線不超過超級電容能夠吸收的最大功率的前提下，三電平雙向變換器的兩端可達到良好的功率平衡。

圖10 超級電容充放電電流控制效果Fig.10 Super capacitor charging/discharging current control effect

圖11 所示為飛跨電容電壓閉環控制效果，在控制中實時采集直流母線電壓，取 1/2后送給飛跨電容電壓環，作為飛跨電容電壓指令，從而使得充電時UCfly=1/2UH=425V，放電時UCfly=1/2UH=375V。

圖11 飛跨電容電壓控制效果Fig.11 Flying capacitor voltage control effect

4 樣機實驗

為了進一步驗證三電平雙向直流變換器的工作原理和控制策略，開發了三電平超級電容儲能系統樣機，并完成了5kW 功率等級下的直流母線電壓控制型超級電容充放電實驗，圖 12為三電平雙向直流變換器外觀圖。

圖12 三電平雙向變流器外觀圖Fig.12 Three-level bi-directional DC-DC converter physical appearance

利用三相調壓器和二極管不控整流橋構成可調直流電壓源，用以模擬地鐵直流牽引網的網壓波動，整個系統的組成如圖 13所示。

圖13 系統組成示意圖Fig.13 Schematic of system components

圖 14所示為通過母線電壓判斷并控制超級電容充放電的原理示意圖。可見，當100V＜UH＜200V時，超級電容放電；當300V＜UH＜400V時，超級電容充電；其他情況超級電容不動作。為了保證在閾值電壓處超級電容狀態的可靠切換，在控制中加入了20V的滯環冗余。

圖14 帶滯環邏輯的電壓控制原理Fig.14 Voltage control principle with hysteresis loop logic

從圖 15中的實驗結果可以看出，隨著直流母線電壓的變化，超級電容在充電、放電和備用三種狀態間自由切換，且充放電電流恒定；從而證明了三電平超級電容儲能系統主電路及控制系統工作穩定、可靠。

圖15 三電平超級電容儲能系統實驗結果Fig.15 Three-level super capacitor energy storage system experimental results

5 結論

從理論分析、仿真驗證和樣機實驗三個方面說明了應用于超級電容儲能系統的三電平雙向直流變換器及其控制的合理性和有效性。

（1）采用三電平雙向直流變換器可使各個開關管承受的電壓應力變為傳統兩電平雙向直流變換器的1/2，更適合高輸入電壓的應用場合。

（2）三電平雙向直流變換器等效開關頻率高，相對于傳統兩電平雙向直流變換器可有效降低電流紋波，提高了變換器效率，對于高輸出電流的應用場合優勢明顯。

（3）應用于城市軌道交通的三電平超級電容儲能系統采用直流母線電壓、超級電容電流、飛跨電容電壓三環控制策略，以達到抑制直流母線波動、控制超級電容充放電功率、保證飛跨電容電壓為輸入電壓1/2的目的。

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Three-Level Bi-Directional DC-DC Converter and Its Control Strategy Used for Super-Capacitor Energy Storage System

Hu Bin1 Yang Zhongping1 Huang Xianjin1 Shi Jingjin2 Zhao Wei2

(1. Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. Beijing Subway Technology R & D Center Beijing 102208 China)

The switching device voltage stress of traditional two-level DC-DC converter is high, and the output current ripple is big. Used a three-level bi-directional DC-DC converter to control supercapacitor energy flow, which improves the super-capacitor charge/discharge efficiency and input voltage level. Analyzed the three-level bi-directional DC-DC converter working principle and control strategy, a simulation platform is built by Matlab/Simulink, which verify three-level bi-directional DC-DC converter topology advantages, meanwhile realizes the control of the DC net voltage, flying capacitor voltage and super capacitor charge/discharge current; finally, the prototype experiment illustrates the rationality and effectiveness of the converter and its control strategy.

Three-level, bi-directional DC-DC converter, flying capacitor, super capacitor, control strategy

TM46

胡 斌 男，1989年生，碩士研究生，研究方向為電力電子變換技術和城市軌道交通新型儲能技術。

2013-10-08 改稿日期 2014-06-14

楊中平 男，1970年生，教授，博士生導師，研究方向為軌道交通電力牽引傳動技術和節能技術。