李治中，哈立原（锡林郭勒职业学院信息技术工程系，内蒙古锡林浩特026000）

基于双向直流变换器的一种直流储能系统

李治中*，哈立原
（锡林郭勒职业学院信息技术工程系，内蒙古锡林浩特026000）

随着风力发电和光伏发电技术的快速发展，基于电网能量的储能系统开发和研究越来越受到大家的关注，提出了一种双半桥双向直流变换器，并给出了相应的移相控制策略，对正向升压和反向降压两种工作模式下的稳态工作性能进行仿真验证，并设计了实验样机，验证了双半桥双向直流变换器的工作模态及控制策略，仿真及实验结论表明：双半桥双向直流变换器在经历负载突变和输入电压突变过程中，能够快速的恢复稳态，实现微电网的实时调节。

直流储能系统；双向直流变换器；双半桥；移相控制

随着新能源技术的快速发展，以风力发电和光伏发电为代表的可再生能源日益涌现，基于分布式发电的微电网系统技术日新月异，传统的电网技术受到了严峻的挑战，虽然风电和光伏发电具有良好的应用前景，但是其本身受环境影响很大，不能提供持续稳定电能供应，为此，基于电网能量的储能系统开发和研究越来越受到大家的重视和关注［1-3］。

微电网中的储能系统可以管理分布式发电设备发出的短周期扰动能量，当发电设备输入大于需求的时候，储能系统向电网补充能量，当发电设备输出大于输入时候，储能系统吸收剩余能量，当发电设备输出大于输入时候，储能系统吸收多余能量，确保电网内功率能量的动态平衡［4-5］。

国内外学者对于电力储能系统的研究主要分为两个方面［6-8］，第1个方面是关于储能装置的研究，第2个方面是关于储能装置中变流器系统的研究，变流器连接储能装置和电网，用来完成两侧的能量转化，并且对电能质量进行控制，传统的直流变流器不具备有源滤波功能，同时对电网的调节具有明显的延迟作用，为此，本文基于微电网的特征，提出一种适用于微网储能系统的双半桥双向直流变换器。

1　拓扑电路描述及控制策略

1.1拓扑电路描述

双半桥双向直流变换器电路结构如图1所示，包含左侧的升压半桥电路，中间的绕组高频变压器，以及右边的电压型半桥电路，从图1中可以看到，双向直流变换器两端分别为高压和低压端，可以在两种模式下工作，保证能量能够双向流动，开关管S1和S2，S3和S4互补导通，当S1超前导通于S3时，变换器工作在正向升压模式，反之工作在反向降压模式，通过S1和S3的导通相位来保证能量双向流动，另外变换器高压侧输出连接直流负载。

图1　双半桥双向直流变换器主电路拓扑

1.2控制策略

本文的变换器采用了全桥移相软开关技术，以恒定频率PWM方式工作，在功率器件开关过程中发生谐振，使其工作在软开关状态，整合了PWM变换器和谐振变换器的优点，实现了功率管的 ZVS（Zero-Voltage Switch）工作方式［9］，下面分别对两种工作模式下的控制策略进行分析。

图2　正向模式中稳态工作时电压、电流的波形

图2为双半桥双向直流变换器在正向升压工作模式下的电压和电流波形，当主开关管关断时，电流对谐振电容充放电，使得开关管在ZVS下关断。而开关管的ZVS导通是在和它反并联的二极管导通期间来开通开关管来实现的。从图2中还可以发现，在正向模式下ZVS通断的条件主要取决于在 t1，t5，t7，t11时刻电流 Ir1和 Id1的值，如下所示：

从以上分析可以发现，4个MOSFET工作在ZVS状态下，通过改变半桥之间的相移来实现功率的传输的调节控制，反向工作模式下的控制策略与正向工作模式类似，区别在于S3和S4的驱动信号在相位上超前S1和S2的驱动信号。反向模式下ZVS通断的条件也取决于在t1，t5，t7，t11时刻电流Ir1和Id1的值，如下所示：

2　仿真及分析

本文采用Saber2012软件对双半桥双向直流变换器在正向升压和反向降压两种工作模式下的稳态工作性能进行仿真验证［10］，表1给出了变换器的相关参数。

表1　双半桥双向直流变换器仿真参数设置

图3为双半桥双向直流变换器在正向模式下的稳态工作仿真波形，从图中可以发现，变换器低压侧和高压侧的半桥电路分别在变压器副边生成两个方波电压Vr12和Vr34，其中原边电压Vr12的相位超前副边电压Vr34，储能装置和超级电容器之间处于放电状态，电感电流Idc1＞0，通过改变高低压侧方波电压之间的移相角，从而改变变换器传输的能量。

图3　双半桥双向直流变换器在正向升压模式的稳态工作仿真波形

双半桥双向直流变换器在反向模式下的稳态工作仿真波形如图4所示，从图4可以看出，副边电压Vr34相位超前于原边电压Vr12，储能装置和超级电容器处于充电状态，电感电流 Idc1＜0。

图4　双半桥双向直流变换器在反向降压模式的稳态工作仿真波形

3　实验分析

为了验证双半桥双向直流变换器的工作模态及控制策略，本文设计了实验样机，具体参数如下所示。

表2　样机参数表

图5为负载突变时正向升压和反向降压的电路工作波形，从图5可以看出经过短暂瞬态后系统便达到稳态；图6为输入电压突变时正向升压和反向降压的电路工作波形，从图中可以看到，无论输入电压降低或升高，电路工作波形都能在0.05 s内恢复稳态运行。图7为不同输入电压下的变换器效率随输出功率的变化曲线，从图7可以看到，随着输出功率的增加，输入电压对变换器效率的影响显著不同，这是由于随着输出功率的增大，一方面促使变换器各开关管的开关损耗减少，但同时电流的峰值也增大，因此变换器的导通损耗增大，两种损耗在不同的输入电压下对效率的影响不同，导致上述的原因的产生。

图5　负载突变时电路的工作波形

图6　输入电压突变时电路的工作波形

图7　不同输入电压下的变换器效率随输出功率的变化曲线

4　结论

本文提出了一种双半桥双向直流变换器，并给出了相应的移相控制策略，通过仿真分析及实验结果，得到如下结论：

（1）双半桥双向直流变换器通过改变高低压侧方波电压之间的移相角，从而改变变换器传输的能量。

（2）双半桥双向直流变换器在经历负载突变和输入电压突变过程中，系统能够迅速恢复稳态。

（3）随着输出功率的增加，输入电压对双半桥双向直流变换器效率的影响显著不同。

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李治中（1963-），男，汉族，河北张家口人，硕士，副教授，锡林郭勒职业学院信息技术工程系，主要研究方向为物理教学；

哈立原（1964-），男，回族，内蒙古赤峰人，硕士，教授，锡林郭勒职业学院、研究方向为数学教学，dajian163.com。

A DC Energy Storage System Based on Bi-Directional DC-DC Converter

LI Zhizhong*，HA Liyuan
（Information Technology Engineering Department，Xilingol Vocational College，Xilingguole，Inner Mongolia 026000，China）

With the rapid development of wind power and photovoltaic power generation technology，energy storage systems based on grid energy research and development lead tomore andmore people's attention，a two-way dual half-bridge DC-DC converter，and the corresponding shift control strategy are presented，the steady-state performances of the forward and reverse boostbuck of two modes of operation are carried outunder simulation and experimental prototype is designed to verify the dual half-bridge bidirectional DC converter operatingmodes and control strategies.The simulation and experimental results show that two half-bridge DC-DC converter in a two-way experiencemutation load and inputvoltagemutation process can quickly restore homeostasis and achieve real-time adjustmentmicrogrid.

DC energy storage system；bi-directionalDC-DC converter；two halfbridge；phase-shifting control

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0984-04

2015-07-29修改日期：2015-09-17

EEACC:129010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.043