多輸入直流變換器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展

　　1.引言

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人類對(duì)能源的需求日益增加，使得石油、煤和天然氣等不可再生能源供應(yīng)日益緊張、環(huán)境污染嚴(yán)重、導(dǎo)致全球氣候異常，核能用于電力發(fā)電又會(huì)產(chǎn)生核廢料污染環(huán)境、也可能產(chǎn)生核事故對(duì)人類造成大規(guī)模影響。因此尋找新的可再生能源、開(kāi)發(fā)和利用可再生能源是人類所面臨的最為緊迫課題之一。目前可再生能源發(fā)電主要有光伏、燃料電池、風(fēng)力、地?zé)岬阮愋?，均存在電力供?yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變化等缺陷，但人類對(duì)供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來(lái)越高，為了解決這一矛盾就必須研究并采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。

　　傳統(tǒng)的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖1 所示。由圖1 可知，該系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：1)光伏電池、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等可再生能源發(fā)電設(shè)備和單向直流變換器;2)蓄電池、超級(jí)電容等輔助能量存儲(chǔ)設(shè)備和雙向直流變換器;3)與直流母線相連的負(fù)載變換器和負(fù)載。該系統(tǒng)的多種能源需要分別經(jīng)過(guò)單向直流變換器進(jìn)行電能變換后連接到公共的直流母線上，因此需要多個(gè)單輸入直流變換器、存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

　　為了降低成本，就必須對(duì)電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，可采一個(gè)多輸入直流變換器取代多個(gè)單輸入直流變換器，組成新型的可再生能源分布式供電系統(tǒng)，如圖2所示。由圖2 可知，多個(gè)性質(zhì)、幅值和特性相同或差別很大的輸入源可以通過(guò)一個(gè)多輸入直流變換器實(shí)現(xiàn)在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)同時(shí)或分時(shí)向負(fù)載供電，該供電系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、成本更低、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性得到提高、可實(shí)現(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用等優(yōu)點(diǎn)。

　　按照多路輸入源與直流負(fù)載是否存在電氣隔離，多輸入直流變換器可分為非隔離型和隔離型兩類。按照多路輸入源在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)向負(fù)載供電的方式不同，多輸入直流變換器可分為分時(shí)供電型與同時(shí)供電型兩類。分時(shí)供電型多輸入直流變換器在任一時(shí)刻只有一路輸入源向負(fù)載供電;同時(shí)供電型多輸入直流變換器在任一時(shí)刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時(shí)向負(fù)載供電。本文把多輸入直流變換器分為非隔離分時(shí)供電型、非隔離同時(shí)供電型、隔離分時(shí)供電型、隔離同時(shí)供電型四類，并論述多輸入直流變換器的研究現(xiàn)狀與發(fā)展。

　　2.非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器

　　非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓?fù)?/strong>有Buck、Buck-Boost 等類型，其電路拓?fù)淙鐖D3 所示。該類變換器采用單向?qū)ǖ墓β书_(kāi)關(guān)S1、S2、…、Sn將多路輸入源并聯(lián)在一起，在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的任一時(shí)刻均只有一路輸入源向負(fù)載供電。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)S1、S2、…、Sn 采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等器件時(shí)，必須串聯(lián)阻斷二極管D1、D2、…、Dn。當(dāng)多路輸入源獨(dú)立向負(fù)載供電時(shí)，圖3(a)所示Buck型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個(gè)單輸入的Buck 型變換器[1];圖3(b) 所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個(gè)單輸入的Buck-Boost 型變換器[2]。

　　非隔離分時(shí)供電型Buck、Buck-Boost 多輸入直流變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、各路輸入源通過(guò)功率開(kāi)關(guān)并聯(lián)易于擴(kuò)展為n 路輸入等優(yōu)點(diǎn);但該類變換器也存在需要串聯(lián)阻斷二極管，導(dǎo)通損耗增大，任一時(shí)刻只能有一路輸入源給負(fù)載供電，占空比調(diào)節(jié)范圍小，輸出與多輸入源、多輸入源之間均無(wú)電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點(diǎn)，電路的實(shí)用性較差。

　　3.非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓?fù)溆须p輸入Buck[3]、雙輸入Buck / Buck-Boost[4]、三輸入Buck / Boost / Buck-Boost[5]等類型，如圖4 所示。

　　該類電路拓?fù)涫菍⒍鄠€(gè)非隔離型單輸入直流變換器組合成一個(gè)多輸入直流變換器，在—個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，兩路輸入源既可以獨(dú)立向負(fù)載供電，也可以同時(shí)向負(fù)載供電。非隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器，具有控制十分靈活，占空比調(diào)節(jié)范圍寬，任一時(shí)刻，多路輸入源既可以獨(dú)立向負(fù)載供電，也可以同時(shí)向負(fù)載供電等優(yōu)點(diǎn);但該類變換器也存在難以擴(kuò)展為n 路輸入，輸出與多路輸入源之間、多路輸入源之間均無(wú)電氣隔離，電磁兼容性差，輸出與輸入電壓匹配能力弱等缺點(diǎn)。

　　4.隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器與非隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器具有相同的電路結(jié)構(gòu)，在3 所示電路中插入高頻變壓器可派生出Buck 、Buck-Boost 型隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器[6]，如圖5 所示。

　　隔離分時(shí)供電Buck、Buck-Boost 型多輸入直流變換器由一個(gè)多原邊繞組的高頻(儲(chǔ)能式)變壓器將多個(gè)相互隔離的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成。由于在變壓器充磁的任一時(shí)刻，繞組電壓總是被某一路輸入源電壓箝位，因此在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的任一時(shí)刻均只能有一路輸入源向負(fù)載供電。當(dāng)輸入源單獨(dú)向負(fù)載供電時(shí)，圖5(a)所示Buck 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個(gè)單輸入的正激變換器;圖5(b)所示Buck-Boost 型多輸入直流變換器相當(dāng)于一個(gè)單輸入的反激變換器。

　　隔離分時(shí)供電型多輸入直流變換器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，各輸入源通并聯(lián)連接易于擴(kuò)展為n 路輸入，多路輸入源之間、輸出與多路輸入源之間雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但該類變換器也存在與功率開(kāi)關(guān)串聯(lián)的阻斷二極管增加了額外的導(dǎo)通損耗，任一時(shí)刻只能有一種輸入源給負(fù)載供電，占空比調(diào)節(jié)范圍小，高頻逆變電路與變壓器原邊繞組利用率低等缺點(diǎn)。

　　5.隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器

　　隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器電路拓?fù)?，如圖6 所示。該類拓?fù)涫且活愝^新穎的電路拓?fù)?，圖6(a)所示全橋Buck 型雙輸入直流變換器[7]具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，多路輸入源向負(fù)載供電時(shí)可共用直流變換器的部分結(jié)構(gòu)，多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，輸出與多路輸入源之間具有電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)。但也存在開(kāi)關(guān)管電應(yīng)力較高，擴(kuò)展為n 路輸入時(shí)控制復(fù)雜，輸入源之間無(wú)電氣隔離，輸入電流紋波大等缺點(diǎn)。難以應(yīng)用在各輸入源性質(zhì)差別較大的新能源聯(lián)合供電場(chǎng)合。圖6(b)所示全橋Boost 型多輸入直流變換器[8]，通過(guò)一個(gè)多原邊繞組的高頻變壓器將多個(gè)相互隔離的、帶有儲(chǔ)能電感的高頻逆變電路和一個(gè)共用的輸出整流濾波電路聯(lián)接構(gòu)成的。這類多輸入直流變換器屬于電流型變換器，通過(guò)磁通疊加的方法，變換器可實(shí)現(xiàn)多路輸入源同時(shí)向負(fù)載供電，即在一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的任一時(shí)刻既可以有一路輸入源，也可以有多路輸入源同時(shí)向負(fù)載供電。為了防止多路輸入源向負(fù)載傳遞能量的過(guò)程互相影響，當(dāng)高頻逆變電路中采用具有反并聯(lián)二極管的MOSFET、IGBT 等功率開(kāi)關(guān)時(shí)，必須將其與反向阻斷二極管相串聯(lián)。全橋Boost 型多輸入直流變換器的輸入源只能通過(guò)全橋逆變電路的一個(gè)橋臂向該路儲(chǔ)能電感充磁，否則，當(dāng)變壓器全橋逆變電路的兩個(gè)橋臂均直通時(shí)，變壓器繞組電壓被箝位為零，多路輸入源向負(fù)載傳遞能量的過(guò)程將互相影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，該多輸入直流變換器需采用移相控制技術(shù)。該變換器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，易于擴(kuò)展為n 路輸入，輸出與多路輸入源、多路輸入源之間的雙向隔離，電磁兼容性和電壓匹配能力強(qiáng)，輸入電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)。但是與功率開(kāi)關(guān)管串聯(lián)的阻斷二極管，使得導(dǎo)通損耗增大。

　　6.設(shè)計(jì)實(shí)例

　　以全橋Boost 型雙輸入直流變換器電路拓?fù)錇槔捎玫谝宦份斎胱畲蠊β屎偷诙费a(bǔ)充負(fù)載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋移相全橋控制策略。第一路輸入源模擬光伏電池電壓Ui1=40-48-60VDC，第二路輸入源模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓Ui2=40-48-60VDC，輸出電壓Uo=380VDC，額定輸出功率Po=1kW，第一路最大輸入功率P1=760W，開(kāi)關(guān)頻率fs=50kHz ， 高頻變壓器匝比為N11:N12:N2=9:9:32，輸入儲(chǔ)能電感L1=L2=80μH，輸入濾波電容Ci1=Ci2=2700μF，輸出濾波電容Cf=5.4μF，額定負(fù)載RL=144.4 ，箝位電容CC1=CC2=3.3μF。變換器兩路同時(shí)供電額定工作時(shí)的原理試驗(yàn)波形如圖7 所示。

　　原理試驗(yàn)結(jié)果表明：1)兩路上橋臂開(kāi)關(guān) S11、S12、S21、S22 實(shí)現(xiàn)了 ZVS 關(guān)斷，如圖 7(a)所示;2)兩路下橋臂開(kāi)關(guān) S13、S14、S23、S24 實(shí)現(xiàn)了 ZVS 開(kāi)通，有源鉗位電路有效抑制了功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷電壓尖峰，如圖7(b)所示;3)Sc1、Sc2 實(shí)現(xiàn)了 ZVS 開(kāi)通，如圖 7(c)所示;4)變壓器原邊繞組電UN11、UN12 是幅值分別為±UoN11/N2、 ±UoN12/N2 的高頻交流脈沖波，如圖9(d)所示; 5)第一路輸入源電壓幅值為48V，電流幅值為16A，如圖 9(e)所示;6)變換器輸出電壓 Uo 的幅值為 380 V，輸出電流幅值為2.65A，如圖 6(f)所示;7)額定工作時(shí)變換器的效率為89%?？傊?，全橋Boost型雙輸入直流變換器具有多路輸入源可同時(shí)或分時(shí)供電，電磁兼容性和電壓匹配能力強(qiáng)，開(kāi)關(guān)損耗低，輸入電流紋波小，輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，采用第一路輸入最大功率第二路補(bǔ)充負(fù)載所需不足功率的主從式電壓、電流瞬時(shí)值反饋移相全橋控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩(wěn)定性和靈活性。因此，全橋Boost 型多輸入直流變換器拓?fù)浞浅＿m合應(yīng)用在多種性質(zhì)不同的可再生能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。

　　以上論述可知，目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)多輸入直流變換器的研究，主要有非隔離分時(shí)供電型、非隔離同時(shí)供電型、隔離分時(shí)供電型、隔離同時(shí)供電型多輸入直流變換器，各類型多輸入直流變換器都有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。隨著可再生能源分布式發(fā)電的發(fā)展，多輸入直流變換器的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，因此，尋求一類具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、成本低、效率高、允許多種可再生能源分時(shí)或同時(shí)供電、能夠提高可再生能源聯(lián)合供電的穩(wěn)定性和靈活性、能夠?qū)崿F(xiàn)可再生能源的優(yōu)先利用的多輸入直流變換器及其控制策略已迫在眉睫。因此，多輸入直流變換器的研究具有重要的理論價(jià)值和工程應(yīng)用價(jià)值，符合我國(guó)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　李華輝 1985 年生，男，碩士研究生，研究方向

　　為新能源供電系統(tǒng)電力電子變流技術(shù)。

　　陳道煉 1964 年生，男，博士后，IEEE 高級(jí)會(huì)員，

　　新世紀(jì)百千萬(wàn)人才工程國(guó)家級(jí)人選，閩江學(xué)者，教授、

　　博士生導(dǎo)師，主要從事電力電子學(xué)研究。