級聯雙向變換器在多能源變流器中的應用

龐云亭，張國駒，姜鑫，王川，商二松

(北京天誠同創電氣有限公司，北京市 100176)

級聯雙向變換器在多能源變流器中的應用

龐云亭，張國駒，姜鑫，王川，商二松

(北京天誠同創電氣有限公司，北京市 100176)

純并網型分布式發電已不能滿足用戶降低用電成本的需求，多能源變流器(multi-source converter，MSC)作為分布式發電的有效組織和管理裝置，正逐漸被用戶接受，其中，蓄電池用雙向變換器作為核心部分，需滿足寬電壓輸入、高升壓比及隔離、高轉換效率等技術要求，是MSC設計的難點之一。該文基于buck/boost雙向電路和雙向LLC電路級聯方案對蓄電池用雙向變換器進行了設計，首先對拓撲組合和工作原理及其特點進行了分析，并推導了諧振頻率下雙向LLC電路的小信號模型；然后，結合電壓、效率等指標，對變換器的中間電壓、LLC諧振網絡等電路參數進行了優化設計；最后，采用實驗驗證了該級聯雙向變換器設計的正確性與可行性。

級聯雙向變換器；多能源變流器；雙向LLC諧振電路

0 引 言

現有的分布式發電大多以“并網型”為主，即電網正常時，分布式發電通過并網設備(通常為逆變器)與電網相連，電能“即發即上”，用戶通過獲取上網電費來降低用電成本；當電網發生故障時，分布式發電脫離電網，停止工作，用戶停電，用戶的用電可靠性和發電收益同時受損。在國外，逐漸降低分布式并網電價、采用分時電價等政策不斷推高居民的用電成本[1]，在部分地區甚至已出現了不允許分布式發電并網發電的案例[2]。因此，以“并網”為特征的分布式發電已不能滿足用戶“降低用電成本”的需求，用戶需要一種“柔性電能管理”的方式，對其所擁有的分布式發電、負荷等進行有效管理以獲取分布式發電的最大利益[3]。

多能源變流器(multi-source converter，MSC)作為分布式發電的有效組織和管理方式，可以集成光伏、蓄電池、風電、電網、負荷、柴油機等接口，并具備并網和離網運行的能力，幫助用戶實現“柔性電能管理”[4-7]。

與連接光伏與直流母線的單相DC/DC變換器相比，連接蓄電池與MSC直流母線的雙向DC/DC變換器需要結合預設的能量管理方案對蓄電池進行充放電，且出于安全考慮，需要對蓄電池進行電氣隔離。

在中大功率場合，隔離型全橋電路因其開關管電壓、電流應力小，變壓器利用率高等優點得到普遍應用。DAB(dual active bridge)雙向DC/DC變換器[8]是最常用的隔離型全橋變換器，利用變壓器漏感控制能量的雙向流動，實現原邊開關管的ZVS(zero voltage switching)，結構簡單。為了提高電路的功率，還可以使用三相的DAB結構。該電路的缺點是難以實現全負載范圍的軟開關，橋臂中有較大環流，增加了導通損耗，降低了系統效率。此外，以串聯諧振變換器(series resonant converter，SRC)、并聯諧振變換器(parallel resonant converter，PRC)與LLC諧振變換器為代表的全橋諧振變換器能夠有效減小開關損耗，提高開關頻率，減小開關噪聲[9]。其中，LLC諧振電路可以實現全負載范圍內的軟開關，且不需要像PRC那樣需要直流濾波電感，同時克服了SRC無法升壓的缺點，是高頻化設計的理想拓撲。

上述雙向DC/DC變換器均為單級結構，既要實現輸出電壓/電流的精確調節，滿足輸出電壓/電流的紋波及動態性能要求，又要實現寬電壓輸入，因此在參數設計時一般要折衷考慮，導致變換器工作在非最佳狀態。為了追求高效率，充分發揮拓撲在特定點的高效率特性，兩級DC/DC變換器引起了眾多關注。文獻[10]所設計的boost+LLC兩級結構充分利用了Boost寬電壓輸入和 LLC 高效率特性，從而使整體效率高達97.2%。文獻[11]提出了雙向buck/boost-SRC變換器的頻率跟蹤控制方法，其5 kW實驗樣機的效率為96.6%。文獻[12]設計了一種boost+變壓器串/并聯型LLC級聯高頻直流變換器，滿足了直流模塊電源的高壓/寬輸入，輸出低壓/大電流以及高功率密度的要求，最高效率為94.5%。

本文基于buck/boost雙向電路和雙向LLC電路[13]級聯方案對蓄電池用雙向變換器進行設計，首先對拓撲組合和工作原理進行分析，并建立諧振頻率下雙向LLC電路的小信號模型；然后，結合電壓、效率等指標，對變換器的中間電壓、LLC諧振網絡等電路參數進行優化設計；最后，采用仿真和實驗驗證該級聯雙向變換器設計的正確性與可行性。

1 需求分析

MSC的常用拓撲如圖1所示，包含了光伏、蓄電池、電網和負載接口，結合分時電價等政策，通過對蓄電池充放電，充分利用光伏電能，實現合用電的有效管理。

圖1 典型的MSC拓撲Fig.1 Typical topology of MSC

如圖1所示，雙向DC/DC變換器將儲能元件接入高壓直流母線，并控制兩者之間的功率交換，是儲能系統的核心部分，其主要性能要求如下。

(1)寬輸入范圍。大部分儲能元件的端電壓都隨著儲存能量的高低而變換，例如鋰電池的工作電壓為2.5～4.2 V(磷鐵電池為2.0～3.65 V)，超級電容器的最低工作電壓一般設定為額定電壓的一半。為了充分利用儲能元件儲存的能量，雙向DC/DC變換器必須具備寬輸入范圍的特性。

(2)高升壓比和隔離。處于安全起見，在戶用分布式電源等場合，儲能元件多采用48 V及以下的電壓等級，并且需要電氣隔離以保證安全；而高壓直流母線為了滿足三相逆變器的調制需求，往往需要 540 V，甚至更高的母線電壓水平，使得雙向DC/DC變換器工作在高升壓比狀態。

(3)高效率。儲能系統的效率與雙向DC/DC變換器效率的平方成正比，低效率不僅會造成能量的損失，而且損失的能量大多以熱的形式耗散，加大了變換器散熱設計的難度。

2 級聯雙向變換器

2.1 拓撲選擇

一般雙向DC/DC變換器為單級結構，既要實現輸出電壓/電流的精確調節，滿足輸出電壓/電流的紋波及動態性能要求，又要實現寬電壓輸入，因此在參數設計時一般要折衷考慮，導致變換器工作在非最佳狀態，降低了效率等關鍵性能指標。

考慮到升壓需求，根據Buck/boost電路是在低壓側還是高壓側，共有2種不同組合，如圖所示。其中，低壓側(U1)接蓄電池，其額定電壓為48 V，且具有較寬的電壓變化范圍，高壓側(U2)是直流母線，給逆變器等直流負載供電。

圖2 級聯變換器拓撲結構Fig.2 Topology of cascade converter

圖2(a)為兩級諧振變換器采用高壓側級聯boost電路，在相同功率以及輸入輸出電壓條件下，直流耦合電容電壓Um小于U2，LLC諧振電路的諧振電流較大，增大了開關管的導通損耗，不利于整體效率。圖2(b)為兩級諧振變換器采用低壓側級聯boost電路，Um大于U1，能夠降低LLC諧振電路的電流而降低損耗，是較為理想的拓撲。

2.2 工作原理分析

為了充分發揮雙向buck/boost電路的寬電壓輸入適應特性和雙向LLC諧振電路在諧振頻率處的高效率特性，在級聯雙向變換器中，雙向buck/boost電路通過反饋控制調節直流耦合電容電壓Um，滿足變換器的動態和靜態需求，同時利用buck/boost電路自身的升壓特性，實現寬電壓輸入。雙向buck/boost電路屬于常用電路，其工作原理可以參考文獻[14]，本文不再重復。

雙向LLC諧振電路無需進行電壓調節，因此可以工作在諧振頻率下，既提高了效率，同時也實現了電氣隔離。在諧振頻率下，諧振電流呈完美的正弦波，諧波畸變最低，EMC(electro magnetic compatibility)表現最好。副邊電流處于臨界連續狀態，既不會出現電流急劇下降，也不會出現電流為0的死區；且電壓增益始終為單位增益，傳遞函數對負載變化不敏感，魯棒性強。

雙向LLC諧振電路結構對稱，正向工作和反向工作的運行原理也完全相同，因此本文只對正向工作原理進行分析。在諧振頻率下，采用同步控制的雙向LLC諧振電路的波形及其工作模態如圖3所示，電路前半周期和后半周期的運行原理完全對稱，在半個周期內有2個開關模態。

圖3 雙向LLC工作波形Fig.3 Work waveform of bi-directional LLC

(2)開關模態2(t1～t2)。當t1時刻半個開關周期結束時，諧振電流iLr恰好等于iLm，輸出端 MOS管的關斷電流為0，可以實現ZCS(zero current switching)。t2時刻與t0時刻類似，輸入端M2和M3實現ZVS。故工作在諧振頻率下時，電路輸入端所有開關管均可以實現 ZVS，輸出端所有開關管均可以實現ZCS。

3 參數設計

級聯雙向變換器的工作條件為：額定輸入電壓為48 V(±20%范圍波動)，輸出電壓為540 V，功率為 5 kW。LLC諧振電路可以通過軟開關技術來降低開關損耗，但導通損耗無法避免，因此，提高Um有利于提高LLC諧振電路的效率。但提高Um需要增大buck/boost電路的電感，使電感損耗以及系統體積增大，因此，需要采用交錯并聯的方式來降低電感損耗，同時還可以提高功率密度以及系統的響應速度。

3.1 交錯并聯雙向buck/boost電路設計

(1)開關頻率fb選擇。雙向buck/boost電路的負載是LLC諧振電路，開關頻率的選擇要兼顧減小磁性元件體積和降低中間直流耦合電容紋波電流的需求，fb可以選擇與LLC的諧振頻率fr相同，均為180 kHz。

(2)電感設計。按照40%的紋波電流設計，電感取值可按照下式計算：

(1)

式中P0為額定功率，計算可得，L0=5.83 μH。

(3)母線電壓與輸出電容設計。輸出電容對雙向buck/boost電路和雙向LLC諧振電路起著直流解耦的作用，紋波電流為2個電路電流之差，兩者的工作頻率越接近，紋波電流越小。當兩者頻率一致，不考慮電流互抵作用，允許電容的最大電壓紋波為

(2)

式中ΔUm為中間直流母線電壓的波動量，本文取ΔUm=1 V，則Cm=51.4 μF。

3.2 雙向LLC諧振電路設計

級聯結構中，雙向LLC諧振電路工作在諧振頻率下，且不需要考慮寬電壓輸入，因此效率是設計的唯一考慮因素。雙向LLC電路是對稱結構，在設計時可以參考傳統LLC諧振電路的設計，其步驟為：

(1)確定諧振頻率，fr=180 kHz；

(2)由輸入輸出電壓確定匝比，n=1；

(3)根據效率最大化原則，選取激磁電感Lm設計變壓器，Lm=360 μH。

(4)利用變壓器漏感作為諧振電感，再由諧振頻率確定諧振電容，如式(3)所示，計算得Cr=27 nF。

(3)

4 實驗

圖4 正向工作實驗波形Fig.4 Experimental waveform under forward power

由圖4、5可知，正向工作和反向工作時，從輕載到滿載的工作波形，與理論分析一致，工作在諧振頻率下的LLC諧振電路，諧振電流正弦度高，且在全功率段實現了ZVS，隨著功率的提高，由buck/boost電路控制的UAB升高。

圖6為級聯級聯雙向變換器的效率波形，最高效率為97.7%。

圖5 反向工作實驗波形Fig.5 Experimental waveform under backward power

圖6 級聯變換器效率Fig.6 Efficiency of cascaded converter

5 結 論

蓄電池用雙向變換器作為核心部分，需滿足寬電壓輸入、高升壓比及隔離、高轉換效率等技術要求，是MSC設計的難點之一。

(1)分析了蓄電池用雙向變換器的需求，設計了基于buck/boost雙向電路和雙向LLC電路級聯的方案。

(2)對該方案的工作原理進行了分析，并結合工作電壓、效率等指標對變換器參數包括開關頻率、諧振網絡參數等進行了優化設計。

(3)搭建了5 kW雙向級聯變換器，通過充放電試驗，驗證了所提設計方法的正確性。

[1]謝秦,宗志剛. 德國分布式光伏補貼政策變化及其對中國的啟示[J]. 電氣時代，2015(2):37-39.

[2]杜偲偲. 國外分布式能源發展對我國的啟示[J]. 中國工程科學,2015，17(3):84-87,112. DU Caicai. The enlightenment of distributed energy in foreign countries to China [J].Engineering Sciences,2015，17(3):84-87,112.

[3]欒偉杰，蔣獻偉，張節潭，等. 考慮主動管理的分布式光伏發電消納能力研究[J].電力建設,2016,37 (1): 137-143 LUAN Weijie, JIANG Xianwei, ZHANG Jietan, et al.Consumptive ability analysis for distributed photovoltaic generation considering active management [J]. Electric Power Construction,2016,37 (1): 137-143[4]吳敏. 基于光/儲一體化智能逆變器的家庭能效管理策略的研究[J]. 電氣技術,2015，16(11):44-47,52. WU Min.The study on home efficiency management strategy based on intelligent inverter with PV/storage integrated[J].Electrical Engineering,2015，16(11):44-47,52.

[5]羅瀟,李征. 光儲互補并離網一體逆變器控制策略[J]. 電子設計工程,2015, 23(19):132-135,139 LUO Xiao, LI Zheng.A control strategy of grid-connected and stand-alone converter integrated with photovoltaic and battery[J]. Electronic Design Engineering, 2015, 23(19):132-135,139.

[6]楊雪蛟. 家庭并離網一體光儲系統的能量管理系統研究[D]. 上海：東華大學，2015. YANG Xuejiao. Energy management system research for domestic grid-connected/stand-alone integrated photovoltaic power system[D]. Shanghai:Donghua University, 2015.

[7]倪利鋒. 離網型家用光儲互補變流器研究[D]. 上海：東華大學，2014 NI Lifeng. Research on the off-grid domestic converter with complementary by PV and battery[D]. Shanghai:Donghua University, 2014.

[8]INCME S, AKAGI H. A bidirectional DC-DC converter for an energy storage system with galvanic isolation[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 22(6):2299-2306.

[9]SLOAN T H.Design of high-efficiency series resonant converters aboveresonance[J]. IEEE Transactions on Aerospaceand Electronics Systems,2000, 26(2):393-402.

[10]施玉祥,柳緒丹,鄧成,等. Boost-LLC高效率DC/DC變換器[J]. 電力電子技術,2010,44(8):24-26. SHI Yuxiang, LIU Xudan, DENG Cheng, et al.Boost-LLC high efficiency DC/DC converter[J].Power Electronics,2010,44(8):24-26.

[11]黃啟程. 寬范圍輸入諧振雙向DC/DC變換器研究[D].杭州：浙江大學,2014. HUANG Qicheng. Research on resonant bidirectional DC/DC converter with wide input voltage range[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2014.

[12]章江銘,龍江濤,劉天驥,等. Boost+變壓器串/并聯型LLC級聯變換器研究[J]. 電力電子技術,2015, 49(4):19-22. ZHANG Jiangming, LONG Jiangtao, LIU Tianjin, et al.Study of acascaded converter consisting of Boost and LLC with series/parallel transformers[J].Power Electronics,2015, 49(4):19-22.

[13]江添洋,張軍明,汪槱生. 同步控制雙向LLC諧振變換器[J]. 電工技術學報,2015, 30(12):87-96. JIANG Tianyang, ZHANG Junming, WANG Yousheng.Bidirectional LLC resonant converter with synchronous control method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(12):87-96.

[14]張國駒,唐西勝,周龍,等. 基于互補PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級電容器儲能中的應用[J]. 中國電機工程學報,2011,36(6):15-21. ZHANG Guoju, TANG Xisheng, QI Zhiping，et al. Research on complementary PWM controlled Buck/Boost bi-directional converter in supercapacitor energy storage[J]. Proceeding of CSEE, 2011, 36(6): 15-21.

(編輯 張小飛)

Application of Cascaded Bi-Directional Converter in Multi-Source Converter

PANG Yunting, ZHANG Guoju, JIANG Xin, WANG Chuan, SHANG Ersong

(Beijing Etechwin Electric Co., Ltd， Beijing 1000176, China)

Grid-connected only distributed generation cannot satisfy the users’ requirements of electricity costs saving. Multi-source converter (MSC), which can help manage the energy utilization in demand, is accepted by users. Bi-directional converter for battery, which is characterized in wide range input voltage, high rise ratio, electrical isolation and high conversion efficiency, is the core component of MSC and one of the difficult points in MSC design. This paper designs the bi-directional converter for battery based on the cascaded scheme of buck/boost bi-directional circuit and bi-directional LLC circuit. Firstly, we analyze the topology, the operation principle and its characteristics, and deduce the small signal model for the bi-directional LLC circuit with resonant frequency. Then, combining the voltage, efficiency and other indicators, we optimally design the intermediate voltage of converter, LLC resonance circuit and other parameters. Finally, we adopt experiments to verify the effectiveness and and feasibility of the design of the proposed cascaded bi-directional converter.

cascaded bi-directional converter;multi-source converter; bi-directional LLC resonance circuit

TM 46

A

1000-7229(2016)08-0052-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.08.008

2015-03-25

龐云亭(1976)，男，工學博士，高級工程師，主要從事風力發電技術、伺服控制研究工作；

張國駒(1984)，男，工學博士，高級工程師，主要從事風力發電技術、微網技術方面的研究工作；

姜鑫(1981)，男，工學碩士，工程師，主要從事電力電子變流器方面的研究工作；

王川(1981)，男，工學碩士，工程師，主要從事電力電子變流器方面的研究工作；

商二松(1987)，男，工學碩士，工程師，主要從事軟開關諧振技術研究工作。