應用于新能源發電的雙向DC/DC變流器研究及仿真驗證

由于環境和經濟原因，新能源已經引起了全球范圍的極大關注。目前所使用的新能源包括太陽能、風能、地熱能、潮汐能、氫能和生物能等。由于絕大多數新能源以電能形式產生，因此電能變換技術的創新對于使用新能源時的成本就變得非常關鍵。

雖然對可再生能源的研究取得了一定進展，但是也存在一些內在問題。其一為間歇性，即可再生能源輸出的功率不是恒定的；其二為相對于電力負荷，可再生能源反應比較慢。通常，可再生能源與儲能單元結合可增強系統性能或實現附加的功能。

作為一種新穎的電力電子變流器，多端口雙向DC／DC變流器越來越多地應用于以燃料電池、太陽能和風能為代表的新能源發電系統。它可以有效地將儲能裝置、新能源發電設備以及負載結合起來。同時，還可以克服新能源發電系統的內在缺點，具有功率密度高、易實現集中控制和能量管理等優點。盡管多端口變流器越來越多地應用于新能源發電系統、電動汽車、UPS和混合儲能系統等，但所提出的多端口變流器的拓撲或多或少具有以下缺點：功率單向流動；無電氣隔離；高電流應力；元器件數量多；控制復雜；多個電源不能同時傳遞功率。

穩態分析

為解決上述問題，這里提出一種三端口雙向DC／DC變流器。它由低壓側兩個有源全橋、高壓側一個有源半橋及一個三繞組高頻變壓器組成，如圖1所示。該變流器具有以下優點：有電氣隔離；輸入電流紋波小；無需輔助電路實現軟開關；電容數量少；低壓側開關應力低；可在多個電源之間單獨或同時傳遞功率；由于變壓器的變比高，可以匹配不同電壓等級。

低壓側分別連接儲能單元，例如蓄電池和超級電容器。變壓器的漏感起到儲能和能量傳遞作用。升壓模式下變壓器兩側理想的電壓和電流波形如圖2所示。變壓器低壓側兩個全橋分別產生方波電壓ur12(結構A1中)，ur56(結構A2中)，變壓器高壓側產生方波電壓ur34。通過調節3個開關橋方波電壓之間的移相角可以實現并控制雙向功率流動。

其中ur12與ur34間的移相角定義為φ13，而ur56與ur34間的移相角定義為φ53。當ur12和ur56超前于ur34時，φ13和φ53為正，這時能量從低壓側向高壓側流動，變流器工作在升壓模式，使高壓側電壓保持恒定。能量反向流動時，變流器工作在降壓模式，對儲能元件進行充電。從圖2可見，一個完整的開關周期可分為6個階段。變壓器漏感電流ir13，ir53和ir15為θ的函數，θ=ωt，ω為開關頻率。

式(7)表明，可通過移相角或開關頻率控制系統的功率流動。考慮到變壓器的體積，選擇固定開關頻率。則通過φ13和φ53控制功率流動。變流器ZVS條件

三端口變流器的換流機制與二端口變流器相似，即將關斷的開關器件，會將電流轉移到相應諧振電容中，利用電容電壓不能突變的特點，實現零電壓關斷。利用諧振電容的充放電，使得開關管反并聯二極管開通后，再開通開關管，實現零電壓開通。然而，對于三端口變流器，由于有兩個輸入級相互影響，軟開關條件相對更復雜。

從圖2可推出升壓模式下的軟開關條件。在升壓模式下，開關管零電壓開關(ZVS)的實現與開關管關斷前時刻的初次級電流的狀態有關，簡單解釋為即將關斷的開關管流過正向電流，不同時刻的電流要求為：

其中函數f1～f6分別表示開關管VS1(VS1’)，VS5(VS5’)，VS3，VS2(VS2’)，VS6(VS6’)，VS4的軟開關條件。由式(1)～(8)可以推出VS3，VS4可完全實現軟開關，而VS1(VS1’)，VS2(VS2’)和VS5(VS5’)，VS6(VS6’)的軟開關條件受到φ13，φ53范圍的限制，意味著有源橋雙向DC／DC變流器一個輸入級電路的軟開關條件受到另一個輸入級中控制變量的影響。則要根據兩個輸入級電路控制變量間的相互影響，合理選取φ13，φ53的值。

仿真結果

變流器電路的仿真參數為：Uin1=Uin2=12 V，L1=L2=25μH，Lr13=Lr53=Lr15=0．5μH，fs=20 kHz，C1=C2=4．4 mF，C3=C4=330μF，Co= 660μF，φ13=0．16π，φ53=0．1π，D=0．5。升壓模式下仿真波形如圖3所示。可見，當開關器件的反并聯二極管導通時，給開關器件施加驅動信號，開關器件可實現ZVS。

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