分析隔離型雙向直流變換器中存在的電源側(cè)回流功率和負(fù)載側(cè)回流功率

新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）的研究人員，于德、付超、王毅、王彥旭、楊喆明，在2017年第24期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，降低隔離型雙向直流變換器的回流功率以提高變換效率，對(duì)拓展隔離型雙向直流變換器在直流配電網(wǎng)中的應(yīng)用具有重要意義。

首先，闡述雙移相控制的工作原理和變換器回流功率產(chǎn)生的原理，建立傳輸功率和電源側(cè)、負(fù)載側(cè)回流功率的數(shù)學(xué)模型，分析減小回流功率對(duì)減小電流應(yīng)力、提高效率所起的作用。其次，提出一種最小回流功率移相控制方法。在傳輸相同功率的條件下，相比雙移相控制方法，該方法控制的功率運(yùn)行點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)回流功率最小。

最后，在所搭建的2kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，所提控制方法在不同工況下均能實(shí)現(xiàn)最小回流功率運(yùn)行，從而有效地減小了電流應(yīng)力及功率損耗，提高了效率。

直流配電網(wǎng)作為分布式電源和儲(chǔ)能裝置的理想接入方式，可以減少電能變換環(huán)節(jié)和濾波裝置，目前已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)[1-4]。隔離型雙向直流變換器（IsolatedBidirectional DC-DC Converter, IBDC）具有分布式、模塊化和即插即用的軟硬件結(jié)構(gòu)[5-8]，作為直流配電網(wǎng)中各級(jí)母線間的接口電路，通過高壓端采用串聯(lián)技術(shù)提高電壓等級(jí)，低壓端采用并聯(lián)技術(shù)以提高功率等級(jí)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量變換和電氣隔離[9-13]。

隔離型雙向直流變換器目前普遍采用移相控制的方式，主要有單移相（Single-Phase-Shift, SPS）[14,15]、拓展移相（Extended-Phase-Shift,EPS）[16,17]、雙移相（Dual-Phase-Shift, DPS）[18]和三移相（Triple-Phase-Shift, TPS）[19,20]四種控制方式。

單移相控制是IBDC使用最廣泛的算法[21,22]，該控制方式簡(jiǎn)單，易于反饋調(diào)節(jié)，但只能通過調(diào)節(jié)單一變量控制系統(tǒng)的功率輸出，無(wú)法調(diào)節(jié)系統(tǒng)的回流功率、電流應(yīng)力等特性。

與單移相控制相比，拓展移相控制不僅擴(kuò)大了零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）操作范圍，同時(shí)也降低了電流應(yīng)力，提高了效率，并提高了調(diào)節(jié)的靈活性[23]。雙移相控制下變換器的一、二次側(cè)橋的電壓轉(zhuǎn)換狀態(tài)和功率流動(dòng)的方向相同。因此，相對(duì)拓展移相控制，雙移相控制更加容易實(shí)現(xiàn)，其動(dòng)態(tài)性能更好[23]。

在傳統(tǒng)移相控制方法中，IBDC存在峰值電流過大、開關(guān)應(yīng)力過大等缺點(diǎn)，大量回流功率是引起峰值電流過大、系統(tǒng)通路損耗增大、電能傳輸效率降低的主要原因。

為了克服上述缺點(diǎn)，文獻(xiàn)[24]提出了拓展移相控制下回流功率的概念和算法，并分析了不同的電壓轉(zhuǎn)換比k下回流功率的特性，通過減小回流功率，減小了電流應(yīng)力和功率器件、磁性元件的損耗，提高變換器的效率。文獻(xiàn)[25]給出了拓展移相控制在k=1下最小回流功率控制算法。但是，IBDC在雙移相控制下回流功率的特性和控制方法還有待研究。

為了減小IBDC的回流功率和電流應(yīng)力，本文分析了雙移相控制下IBDC的回流功率現(xiàn)象，建立了電源側(cè)、負(fù)載側(cè)回流功率的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出一種最小回流功率移相控制方法，給出了最小回流功率運(yùn)行點(diǎn)。

圖1隔離型雙向直流變換器

圖9IBDC實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

本文分析了雙移相控制下隔離型雙向直流變換器中存在的電源側(cè)回流功率和負(fù)載側(cè)回流功率。在此基礎(chǔ)上提出了一種最小回流功率移相控制方法。并在變換器傳輸功率不同工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）雙移相控制的等功率運(yùn)行點(diǎn)的電流應(yīng)力和峰值電流隨外移相角d2增大而增大。

2）最小回流功率點(diǎn)左側(cè)的雙移相控制的等功率運(yùn)行點(diǎn)的回流功率隨著外移相角d2增大而減小，右側(cè)的雙移相控制的等功率運(yùn)行點(diǎn)的回流功率隨外移相角d2增大而增大。

3）減小回流功率對(duì)電流應(yīng)力的減小有顯著作用，但是將變換器的回流功率降低到最小無(wú)法將電流應(yīng)力控制到最小。

4）在傳輸相同功率的條件下，相比雙移相控制方法，最小回流功率移相控制的功率運(yùn)行點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)源側(cè)、負(fù)載側(cè)回流功率最小，峰值電流和電流應(yīng)力顯著減小，可減小變換器損耗，提高變換效率。