雙向DC-AC變流器及其運用綜述

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(1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116;2.廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361000)

雙向DC-AC變流器及其運用綜述

盧德祥1,杜偉1,2

(1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116;2.廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361000)

直流微電網和交直流混合微電網的母線電壓控制是微電網的首要環節，母線電壓調節通過雙向DC-AC變流器完成；電動汽車與電網進行互動(V2G)系統也需雙向DC-AC變流器實現。介紹了幾種典型的三相雙向變流器和單相雙向變流拓撲結構，按功率等級和運用場合指出了常用雙向變流器的優缺點，分析了傳統橋式雙向變流器的不足，為雙向變流器拓撲結構的改進提供思路。

雙向變流器；微電網；V2G；全橋電路

1 引言

微電網組網方式分為直流微電網、交流微電網和交直流混合微電網3種類型[1-3]，是分布式電源并網的發展趨勢[4]。在交流微電網中大部分電力負載由交流電通過整流器和緩沖大電容變成直流供電，若采用直流微網，負載直接通過直流電供電，可節約20%的元器件數量和8%的能量損耗[5]。

圖1給出了典型直流微電網結構示意圖[6-7]，直流微電網通過DC-AC雙向變換器與交流配電網進行互動，在直流微網內包含直流用電負載、新能源發電設備(風能、太陽能)和儲能設備等組成。微電網有多余能量時，需通過雙向DC-AC變流器的逆變功能將電能回饋給電網。微電網自身發電能源無法滿足用電設備的需求，此時可通過雙向DC-AC變流器的整流功能，將大電網中的電能輸送至微電網內，維持微電網系統穩定。直流微電網易產生隨機波動，在短路時將可能對直流母線電壓造成沖擊，極易造成整個直流微電網系統奔潰,故直流微電網的母線電壓控制成為首要問題[1,6,8]。為此，研究具備高效率、高可靠性的雙向DC-AC變流器應用于直流母線電壓控制是直流微電網的首要環節。

電動汽車與電網進行互動V2G(Vehicle to Grid)是家庭微電網的重要環節，美國汽車工程協會對于接觸式充電設備制定了SAEJ-1772的標準，根據這項標準，電池和充電功率水平的基礎設施可分為三種類型：一級慢速充電方式、二級常規方式和三級快充方式[9]。V2G系統在給電動汽車提供能量的時，還能起到削峰填谷、改善電力負荷曲線、支撐電網以及提高電網穩定性的作用[10]。插電式混合動力車與電網進行互動可提供良好經濟性的電網運行調度模式[11-12]。

圖1 典型直流微電網

為增強電動汽車充電靈活性，通常會安裝車載或便攜式的充電機設備，典型的車載或非車載的電動汽車充放電結構如圖2所示，車載型充電設備集成在電動汽車車身上，機動性能好便于家用和移動點充電處充電，只需要將充電插頭接入單相或者三相電網即可。圖2中雙向DC-AC變換器是車載充電設備的最主要環節，采用車載充電方式的電動汽車通過雙向DC-AC變換器和雙向DC-DC變換器向電池組充電，進而維持母線電壓穩定。當電動汽車用作儲能設備時，電池組通過雙向DC-DC和雙向DC-AC變流器將電池的電能回饋至電網，實現V2G。研究高可靠性、高效率的雙向DC-AC變流器是V2G系統的關鍵一環。

圖2 電動汽車與充電設備結構示意圖

2 幾種典型三相雙向DC-AC變換器

直流微電網和低壓交流配電網交互，電動汽車與電網互動的三相雙向DC-AC變流器的典型拓撲采用如圖3所示電路結構[13-14]。

通常在直流側接入雙向DC-DC變換器實現電網與儲能電池之間的交互，采用傳統全橋拓撲結構技術成熟，控制易于實現，在工業運用中得到廣泛使用；全橋型拓撲結構工作在逆變模式時，通常采用單極性控制實現全橋逆變，單極性調制橋臂輸出為三態電平變化使諧波含量小、波形質量提高、濾波器體積減小。全橋型拓撲結構工作在整流模式時，為PWM整流器，相比傳統整流橋結構，少一個二極管管壓降，因此損耗降低。

圖3 傳統三相全橋型雙向變換器

除了傳統全橋雙向變換器之外，研究人員對具有輸出功率因數可控、正弦輸入輸出電流、四象限運行以及無需儲能大電容單元的矩陣式變流器在V2G系統中的運用進行了研究[15-16]，矩陣式雙向DC-AC變換器如圖4所示。傳統全橋電路工作在整流模式時為三相Boost型PWM整流器，母線電壓只能升不能降，實現與儲能系統互動通常需兩級電路完成；而矩陣式雙向變換器工作在整流模式時為三相Buck型PWM整流器，可實現單級降壓輸出充電。雖然矩陣式變換器能夠實現單級充電，但其相比傳統全橋型拓撲結構，主橋臂上的開關管數量增加一倍，控制相對復雜。矩陣式雙向變換器的研究工作主要是針對其控制策略開展[15-18]，如文獻[16]針對車用系統中傳統PWM整流器的缺點采用優化AV法進行控制；文獻[17]為實現矩陣變流器在全輸出范圍內減小充電電流紋波而進行分段優化調制。

圖4 雙向AC-DC矩陣式變換器

為解決傳統橋式逆變器同一橋臂開關管的直通隱患問題，提高變換器的可靠性和傳統電壓型、電流型逆變器存在的不足和局限性可采用Z源逆變器[19-20]。文獻[21]對Z源逆變器應用于電動汽車，采用母線電壓提升的控制方式，運用到純電動汽車的電機控制中，其電路結構如圖5所示。

圖5 雙向Z源變換器

Z源逆變器具備升降壓功能，可適應輸入直流電壓大范圍變化，允許同一橋臂直通工作，大大提高了逆變器的可靠性。Z源網絡與單相逆變器結合構成單相Z源逆變器[22]，雙向功率流的Z源變換器不僅能夠實現逆變電壓的升降而且有效的提高了傳統全橋型雙向變流器的可靠性，無死區時間設定改善了變換器輸出波形質量。但該變換器需增加Z源網絡，變換器的無源器件使用數量增加、體積增大，且變換器存在附加的Z源網絡損耗。

3 幾種典型單相雙向DC-AC變換器

功率等級1的充電設備通常用圖6的單相全橋電路[7,23]，前級為Buck-Boost型雙向DC-DC變換器實現電池組與母線電壓之間的能量傳遞，后級由單相雙向全橋型變換器實現直流母線與交流電網交互。

圖6 單相全橋雙向變換器結構

單相全橋型拓撲具有三相全橋拓撲相同的優點，傳統全橋電路技術成熟、相匹配的Power IC和控制策略運用多，電路結構簡單易于實現。

文獻[24]提出如圖7所示的運用于一種插電式混合動力電動車的雙向電能變換器，該變換器實現了電池組充電模式、電動汽車與電網互動模式(V2G)以及電動汽車與家庭電網互動模式(V2H)；在V2G模式中采用比例諧振控制，電容電流反饋+比例諧振控制實現V2H模式，在V2H中電動汽車被用作家庭移動式不間斷備用電源(UPS)。

圖7 裂相三橋臂雙向DC-AC變換器

美國家用配電進戶為一個13.2kV轉240V/120V裂相分布的變壓器提供，變壓器中心抽頭提供120V交流電供給普通家用負載，240V交變電供給重型負載,因此裂相三橋臂雙向DC-AC變換器適用于美國家用電網結構[24]。該變換器由一個全橋變換器+一個裂相橋臂組成，同一橋臂開關管控制需死區設定、續流時由開關管體二極管完成。

為減少電動車接入電網的諧波污染文獻[25]提出一種如圖8所示的集成了非反轉Buck-Boost型雙向DC-DC的多電平雙向AC-DC/DC-AC變換器，該變換器的設計用于降低雙向充電設備對電網造成的諧波污染。這種集成式設計的充放電設備可減少大電流電感的使用，同時不需要外接物理開關來切換不同的工作模式，開關管在整流環節和逆變環節進行切換時可正確配置，提高了充放電設備的安全性。但這種集成結構，很大程度上是以犧牲電路器件使用數量和成本來實現的。

圖8 多電平集成式雙向變流器

雙向變換器通常在DC-DC環節采用體積小、效率高的高頻變壓器代替了傳統笨重效率低的工頻變壓器進行隔離，便于提高整套變流器的效率和減小設備體積。文獻[26]采用改進雙向PWM整流器和雙向DC/DC相結合得出一種能量受控的雙向AC-DC變換器拓撲結構并運用到鋰電池成品中。文獻[27]的雙向變流器由3個H橋組合而成與單個H橋+Buck/Boost構成的雙向DC/DC變換器相比器件使用控制結構復雜、成本增加。文獻[28]在光伏逆變過程抑制漏電流問題的基礎上提出增加了兩支輔助開關管的全橋逆變+雙向DC/DC實現雙向功率流動并提高變換效率。為了讓變換器同時實現電壓可升可降、PFC、高頻電氣隔離和能量雙向兩流動，文獻[29]提出一種適合運用于380V直流微電網與電網之間的接口設備的單級式隔離三相雙向AC/DC變換器及其控制策略，與傳統三相電壓脈寬調制整流器相比，不需接入雙向DC-DC變換，單級電路結構具有功率密度更高的優點。

4 結論

雙向DC-AC變換器是微電網母線電壓調節和V2G系統的關鍵設備，介紹了幾種典型三相、單相雙向DC-AC變流器拓撲結構，分析了不同運用場合時各拓撲結構的優缺點。三相拓撲結構多用在微電網和大功率充電機設備中，便攜式的車載充電機節約成本和體積可采用單相拓撲實現。全橋PWM電路結構是雙向變流器的主要運用拓撲，可依據傳統橋式雙向DC-AC變換的不足進行拓撲結構改進研究，以提高變換效率和可靠性。

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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

盧德祥(1990-)，男，漢，碩士，研究方向為電力電子技術；

杜偉(1983-)，男，漢，碩士，工程師，研究方向為電力電子技術。