電子及基礎應用 4

第7章雙向變換器及儲能概述

各種分布式電源和儲能等都需要通過功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PowerConversionSystem，PCS）才能接入電網(wǎng)，PCS又稱儲能變流器或雙向儲能逆變器，是儲能系統(tǒng)與電網(wǎng)實現(xiàn)電能雙向流動的核心部件，用作控制電池的充電和放電過程，進行交直流的變換，其關鍵技術(shù)在于雙向交直流變換器。

近年來，全球儲能市場爆發(fā)，PCS也成為行業(yè)研究的熱點，雙向變換器在航空領域、不間斷電源、帶儲能裝置的光伏和風力發(fā)電系統(tǒng)、混合動力汽車、LED驅(qū)動電源等有廣泛的應用。

圖示為帶儲能裝置的光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，光伏電池通過dc/dc變換（Boost升壓變換器）將低壓直流電升高到一高壓直流電，dc/ac逆變器將高壓直流電逆變?yōu)榻涣麟娝腿腚娋W(wǎng)，蓄電池通過雙向dc/dc變換器與中間直流母線連接。7.1雙向直流變換器7.1.1雙向Buck/Boost變換器

雙向Buck/Boost是最簡單的非隔離雙向直流變換器，電路結(jié)構(gòu)如圖所示。當外電源加于變換器左側(cè)時，為降壓式直流變換器，輸出電壓U2=DU1，D為開關管VF1的占空比；當外電源加于右側(cè)，則圖7-4成為升壓變換器，U1=U2/(1-D)，D為VF2的占空比。因此，該電路通過器件復用在同一電路實現(xiàn)U1→U2的降壓變換和U2→U1的升壓變換。

當VF1和VF2互補導通時，該變換器成為一雙向降升壓變換器，能量可雙向流通。當VF1和VF2的驅(qū)動信號之間設有死區(qū)時間td，在td時間內(nèi)VF1、VF2均關斷。若電感電流iL自左向右，則能量自左向右流動；電感電流自右向左，能量也自右向左流動。由于VF1和VF2可雙向流通電流，在VF1和VF2互補工作時電感電流總是連續(xù)的。7.1.2雙Buck/Boost雙向直流變換器

雙

Buck/Boost雙向直流變換器的主電路如圖所示，由4只開關管、輸入輸出濾波電容和濾波電感構(gòu)成。電壓電流參考方向如圖所示。該電路與Buck/Boost電路不同點是兩個方向傳輸電能時，輸出電壓可小于或大于輸入側(cè)電源電壓。該電路6種電路模態(tài)如圖（a～f）所示。1、降壓變換：工作模態(tài)C和D組合，構(gòu)成Buck降壓變換器。在此模式下，VF1脈寬調(diào)制工作，VF2～VF4一直處于關斷狀態(tài)。如圖c所示，當VF1導通時，電感儲能，電感電流iL上升；當VF1關斷時，iL通過VD2和VD3續(xù)流，iL下降，電感釋放能量，如圖d所示。定義VF1的占空比DVF1=ton/T，ton為VF1的導通時間，T為開關周期，輸入輸出電壓滿足U2=DVF1U1

U2<U1

2、升壓變換：工作模態(tài)B和C組合，構(gòu)成Boost升壓變換器。在此模式下，VF1一直導通，VF2、VF3一直關斷，VF4脈寬調(diào)制工作。當VF1和VF4導通時，電感儲能，電感電流iL上升，負載電流由C2提供，如圖b所示；當VF4關斷時，如圖c所示，輸入電源和電感一起通過二極管VD3和VF1提供能量給輸出端，iL下降。定義VF4的占空比為DVF4，對應VF4的導通時間除以開關周期時間，輸入輸出電壓滿足3、升降壓變換：工作模態(tài)B和D組合，構(gòu)成Buck-Boost變換器。在此模式下，VF1和VF4脈寬調(diào)制工作，VF2、VF3一直關斷。當VF1和VF4導通時，電感儲能，電感電流iL上升，電容C2提供能量給負載，如圖b所示；當VF1和VF4關斷時，iL通過VD2和VD3續(xù)流，iL下降，電感釋放能量，如圖d所示。定義VF4的占空比為DVF4，對應VF4的導通時間除以開關周期，根據(jù)電感正負伏秒積相等，有

因此，當DVF4>0.5時，U2

>U1，U1→U2的變換為升壓；當DVF4<0.5時，U1

>U2，U1→U2的變換為降壓。7.1.3全橋隔離型雙向直流變換器（雙有源全橋）

隔離型雙向直流變換器有多種電路結(jié)構(gòu)，圖示為目前應用廣泛的全橋隔離型雙向直流變換器，也稱雙有源全橋（DualActiveBridge，DAB）直流變換器。DAB主要由兩個全橋變換器、兩個電容、一個輔助電感和一個高頻變壓器組成。原邊全橋H1由開關器件VF1～VF4構(gòu)成，其交流端口電壓為vH1；副邊全橋H2由VF5～VF8構(gòu)成，其交流端口電壓為vH2。H1和H2通過輔助電感L1和高頻變壓器進行連接，變壓器變比為n:1，高頻變壓器給電路提供電氣隔離和電壓匹配，而輔助電感作為瞬時能量儲存環(huán)節(jié)。DAB是高頻隔離功率變換系統(tǒng)的核心變換器之一，可作為一種大功率隔離型DC/DC應用場合的普遍解決方案。1.基本工作原理

圖示對比了高頻隔離的DAB和傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)的基本工作原理。對于DAB，兩側(cè)全橋均工作在逆變狀態(tài)，在交流環(huán)節(jié)產(chǎn)生高頻交流波。因此，與交流電力系統(tǒng)中雙機系統(tǒng)的工作原理類似，DAB也可以等效為兩個交流源連接在電感兩端，通過調(diào)節(jié)兩個交流源之間的相移來調(diào)節(jié)功率流動的大小和方向，所不同的是傳統(tǒng)交流電力系統(tǒng)中交流源為工頻正弦波，而DAB為高頻方波。V1和V2分別為全橋H1和H2的直流端電壓，vH1為全橋H1的交流輸出電壓，vH2為全橋H2的交流輸出電壓，iL1為電感電流。

定義電壓傳輸比M=nV2/V1，n為變壓器原、副邊匝數(shù)比，電壓傳輸比M也稱為電壓增益。當M=1時，表示DAB變換器的輸入輸出電壓可以通過高頻變壓器變比進行匹配；當M<1時，副邊橋臂中點電壓通過高頻變壓器折算后的電壓nvH2的幅值小于原邊橋臂中點電壓vH1的幅值，可認為DAB工作在降壓狀態(tài)；當M>1時，nvH2的幅值大于vH1的幅值，可認為DAB工作在升壓狀態(tài)。2.控制方法

單移相（SinglePhaseShift，SPS）控制是DAB中最基礎和最簡單的一種控制方法，也是應用最廣泛的，如圖所示。在該控制方式中，各全橋電路中對角開關管的驅(qū)動脈沖相同，同一橋臂開關管驅(qū)動脈沖互補，分別在變壓器原邊和副邊產(chǎn)生占空比為50%的方波電壓vH1和vH2；而在兩全橋之間對應開關管的驅(qū)動脈沖存在一個相對相移D（或移相時間DThs），進而vH1和vH2之間也存在移相時間DThs，其中Ths為半個開關周期。對于不同功率傳輸方向，vH1和vH2之間的移相順序?qū)嵉梗β士偸菑某跋辔粋?cè)流向滯后相位側(cè)。3.工作模態(tài)與開關特性

以正向功率流為例，反向時類似。

假設變換器已工作于穩(wěn)定狀態(tài)，電感L1電流iL1從左到右定義為正，根據(jù)正向功率流控制原理，DAB的工作模式可以分為6種狀態(tài)，如圖所示。

1）模式1：t=t0～t’0階段

模式1的工作狀態(tài)如圖a所示，在t0時刻之前，開關管VF2和VF3導通，電流iL1為負；在t0時刻，開關管VF2和VF3關斷，VF1和VF4導通，由于電流iL1仍為負，所以電流經(jīng)過VD1和VD4續(xù)流。

2）模式2：t=t’0～t1

模式2的工作狀態(tài)如圖b所示，在t’0時刻，電感電流iL1由負變?yōu)檎厒?cè)全橋電流由VD1、VD4切換到VF1、VF4，副邊側(cè)全橋電流由VD6、VD7切換到VF6、VF7，因此，原邊側(cè)VF1、VF4和副邊側(cè)VF6、VF7零電壓開通（ZVS）。

3）模式3：t=t1～t2階段

模式3的工作狀態(tài)圖如圖c所示，在t1時刻，開關管VF5、VF8導通，VF6和VF7關斷，由于電感電流iL1為正，原邊側(cè)全橋狀態(tài)不變，副邊側(cè)全橋電流由VF6、VF7切換到VD5、VD8。4）模式4：t=t2～t’2階段

模式4的工作狀態(tài)圖如圖d所示，在t2時刻，開關管VF2、VF3導通，VF1和VF4關斷，由于電感電流iL1為正，原邊側(cè)全橋電流由VF1、VF4切換到VD2、VD3，副邊側(cè)全橋狀態(tài)不變。5）：模式5：t=t’2～t3

模式5的工作狀態(tài)如圖e所示，在t’2時刻，電感電流iL1由正變?yōu)樨摚厒?cè)全橋電流由VD2、VD3切換到VF2、VF3，副邊側(cè)全橋電流由VD5、VD8切換到VF5、VF8，因此，原邊側(cè)VF2和VF3、副邊側(cè)VF5和VF8均為零電壓開通（ZVS）。6）模式6：t=t3～t4階段

在t3時刻，開關管VF6、VF7導通，VF5和VF8關斷，由于電感電流iL1為負，原邊側(cè)全橋狀態(tài)不變，副邊側(cè)全橋電流由VF5、VF8切換到VD6、VD7。

根據(jù)上述分析，圖7-10a所示工作狀態(tài)下，DAB的所有開關管均工作在ZVS開通狀態(tài)。4.傳輸功率特性可以得到DAB的傳輸功率為

式中，n為變壓器變比；fs=1/(2Ths)為開關頻率；D為半個開關周期內(nèi)的相對相移，0≤

D

≤1。由式可知，通過調(diào)節(jié)相對相移D就可以調(diào)節(jié)DAB功率流動的大小和方向，進而也可以調(diào)節(jié)變換器輸出電壓的大小。7.1.4

CLLLC雙向諧振式DC-DC變換器

1、電路結(jié)構(gòu)及工作原理

雙向CLLLC諧振變換器主功率電路結(jié)構(gòu)如圖所示，變壓器T變比為n:1，Lm為變壓器勵磁電感，Lr1和Lr2為諧振電感且等效對稱，分別包含了變壓器一次側(cè)和二次側(cè)漏感，Cr1和Cr2為諧振電容且等效對稱，同時具有隔直作用。通過調(diào)節(jié)開關頻率來調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓。

CLLLC諧振變換器的對稱結(jié)構(gòu)和對稱控制使得其正反向工作原理具有對稱性，可實現(xiàn)雙向傳輸功率，實現(xiàn)輸入側(cè)功率開關管的ZVS開通，輸出側(cè)整流二極管的ZCS關斷。CLLLC雙向諧振變換器的工作模態(tài)分析同第6章LLC諧振變換器。2、等效電路

由基波分析法可得到CLLLC諧振變換器的等效電路如圖，圖中VAB1(t)為VAB的基波分量，VCD1(t)為VCD的基波分量，Ro為輸出端所接負載電阻，為了進一步簡化變換器的等效電路，將變壓器的副邊參數(shù)折算到變壓器的原邊，其中：7.2雙向ac/dc變換器

這里以單相為例，雙向單相ac/dc變換器的電路及原理同4.5.4節(jié)的單相橋式PWM整流器，通過同一功率電路拓撲，既可用于將交流電轉(zhuǎn)為直流電（整流+PFC模式），也可將直流電轉(zhuǎn)為交流電（逆變），工作原理可參考4.5.4節(jié)，這里不再詳述。7.3雙向ac/ac變換器

ac/ac變換器用于將一種交流電轉(zhuǎn)換成另一種交流電。若輸入輸出交流電的頻率不變，它將是一種電子式變壓器；若輸入輸出頻率不同，就是變頻器。ac/ac變換器按有否隔離分為兩類：隔離型和非隔離型。ac/ac按相數(shù)分為單相、三相和多相多種，本章僅討論單相變換器。

非隔離的單相ac/ac變換器有兩種：一種是由兩個相同的ac/dc變換器背靠背組合而成，另一種是在兩個ac/dc變換器之間加有dc/dc變換器。前者用于輸入輸出電壓差別不大的場合，后者用于兩個交流電壓相差較大的場合。若dc/dc為單向變換器，則由此構(gòu)成的ac/ac變換器也為單向電能傳輸。若ac/dc和dc/dc均為雙向變換器，則ac/ac變換器也為雙向，簡寫為Biac/ac。

隔離型ac/ac變換器由兩個ac/dc變換器和一個帶隔離的dc/dc變換器構(gòu)成，是否為雙向變換器同樣取決于dc/dc變換器是否為雙向變換器。1.由兩個ac/dc變換器構(gòu)成的單相ac/ac變換器圖示是由單相ac/dc和單相dc/ac構(gòu)成的Biac/ac。能量自左向右傳輸時，左變換器工作于PFC模式，由于PFC為升壓Boost工作方式，故直流電壓Udc大于交流電壓u1的峰值。右變換器為dc/ac逆變器工作方式，左右變換器級聯(lián)構(gòu)成ac/ac單相變換器。

由于左右變換器結(jié)構(gòu)對稱，且均為雙向變換器，因此級聯(lián)構(gòu)成的是雙向ac/ac變換器。變換器通過改變功率管的占空比D來實現(xiàn)輸出電壓的調(diào)節(jié)。該變換器的特點是既可用作變壓器，即輸入輸出電壓同頻率，也可用作變頻器。2、含有中間dc/dc變換器的ac/ac變換器

假設交流電源電壓有效值為230V，要求ac/ac變換器輸出電壓為交流24V，在這種情況下，在左右兩個ac/dc變換器間加入dc/dc變換器是合理的。如圖所示，此處加入的dc/dc為Buck/Boost變換器，用于將直流電壓Ud1降低為直流電壓Ud2，這樣右變換器的開關管可以選用低電壓、大電流的器件，而低壓大電流MOSFET器件的通態(tài)電阻小，有利于減小損耗和降低變換器成本。3.含有隔離dc/dc變換器的雙向單相ac/ac變換器

隔離型dc/dc變換器有多種類型，有可控的dc/dc變換器和不可控的dc/dc變換器，不控dc/dc即為直流變壓器（DCT）。由于DCT借助變壓器一、二次側(cè)匝數(shù)比不同實現(xiàn)輸入和輸出電壓的改變，從而借助DCT即可實現(xiàn)ac/ac變換器兩端交流電壓的不同值。

圖示為中間插入不對稱半橋DCT的ac/ac隔離變換器電路結(jié)構(gòu)。因該不對稱半橋DCT為雙向dc/dc變換器，故這是個雙向ac/ac變換器。

隔離ac/ac變換器拓寬了變換器的應用范圍。在DCT的任一側(cè)加上蓄電池，就是一個雙輸出的應急交流電源，構(gòu)成不間斷電源（UPS）。7.4電動汽車中的電力電子技術(shù)電動汽車充電及電機驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一種高效率單相車載充電機主電路結(jié)構(gòu)圖7.5儲能7.5.1儲能及組成

儲能按照應用場景可以分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)儲能，其中電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)儲能又稱為表前儲能或大儲，用戶側(cè)儲能又稱為表后儲能。用戶側(cè)儲能分為工商業(yè)儲能與家庭儲能，兩者的區(qū)別在于客戶群體，近兩年市場，我國的用戶側(cè)儲能基本以工商業(yè)儲能為主。

儲能系統(tǒng)通常包括功率變換系統(tǒng)（PCS）、電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)（EMS）等主要部分。

儲能變流器，又稱雙向儲能逆變器，簡稱PCS（PowerConversionSystem），是實現(xiàn)儲能電池與電網(wǎng)間的交直流轉(zhuǎn)換、完成兩者間雙向能量流動的電力電子裝置。PCS既可以通過AC-DC變換給儲能電池充電，又可以通過DC-AC變換將儲能電池的直流電逆變成交流電輸送給電網(wǎng)或供給交流負載使用，是儲能系統(tǒng)的核心裝置，其關鍵技術(shù)是交直流雙向變換。7.5.2儲能分類1、

大儲

應用在新能源電站、電網(wǎng)等場景的大功率儲能，簡稱為“大儲”。大儲裝機規(guī)模大，通常達到兆瓦時級以上，主要以集裝箱形式組建，儲能電站需要接受電網(wǎng)調(diào)度，儲能電站對電池進行分層分級統(tǒng)一管理，結(jié)構(gòu)層次相對工商儲復雜；PCS直流側(cè)電壓寬，1500V可滿載運行；除變流器基本功能外，還具備電網(wǎng)支撐功能，如具備一次調(diào)頻、源網(wǎng)荷快速調(diào)度功能等，電網(wǎng)適應性強，能夠?qū)崿F(xiàn)功率快速響應；大儲對EMS系統(tǒng)要求較高，除基本能量管理功能，還需要具備為微電網(wǎng)系統(tǒng)提供電網(wǎng)調(diào)度接口及能量管理功能。

大儲系統(tǒng)分為直流耦合方案和交流耦合方案，如圖所示。a）直流耦合方案b）交流耦合方案2、工商業(yè)儲能

工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)、數(shù)據(jù)中心、大型商場及醫(yī)院等通過配置儲能系統(tǒng)，峰谷套利，節(jié)省園區(qū)用電成本；另外，儲能作為備用電源，應急供電，提高了園區(qū)供電可靠性；工商業(yè)儲能系統(tǒng)利用鋰電池作為儲能裝置，通過本地及遠端EMS管理系統(tǒng)，完成電網(wǎng)、電池、負載三者之間的電能提供和電能需求的