电子及基础应用 4

第7章双向变换器及储能概述

各种分布式电源和储能等都需要通过功率转换系统（PowerConversionSystem，PCS）才能接入电网，PCS又称储能变流器或双向储能逆变器，是储能系统与电网实现电能双向流动的核心部件，用作控制电池的充电和放电过程，进行交直流的变换，其关键技术在于双向交直流变换器。

近年来，全球储能市场爆发，PCS也成为行业研究的热点，双向变换器在航空领域、不间断电源、带储能装置的光伏和风力发电系统、混合动力汽车、LED驱动电源等有广泛的应用。

图示为带储能装置的光伏系统结构，光伏电池通过dc/dc变换（Boost升压变换器）将低压直流电升高到一高压直流电，dc/ac逆变器将高压直流电逆变为交流电送入电网，蓄电池通过双向dc/dc变换器与中间直流母线连接。7.1双向直流变换器7.1.1双向Buck/Boost变换器

双向Buck/Boost是最简单的非隔离双向直流变换器，电路结构如图所示。当外电源加于变换器左侧时，为降压式直流变换器，输出电压U2=DU1，D为开关管VF1的占空比；当外电源加于右侧，则图7-4成为升压变换器，U1=U2/(1-D)，D为VF2的占空比。因此，该电路通过器件复用在同一电路实现U1→U2的降压变换和U2→U1的升压变换。

当VF1和VF2互补导通时，该变换器成为一双向降升压变换器，能量可双向流通。当VF1和VF2的驱动信号之间设有死区时间td，在td时间内VF1、VF2均关断。若电感电流iL自左向右，则能量自左向右流动；电感电流自右向左，能量也自右向左流动。由于VF1和VF2可双向流通电流，在VF1和VF2互补工作时电感电流总是连续的。7.1.2双Buck/Boost双向直流变换器

双

Buck/Boost双向直流变换器的主电路如图所示，由4只开关管、输入输出滤波电容和滤波电感构成。电压电流参考方向如图所示。该电路与Buck/Boost电路不同点是两个方向传输电能时，输出电压可小于或大于输入侧电源电压。该电路6种电路模态如图（a～f）所示。1、降压变换：工作模态C和D组合，构成Buck降压变换器。在此模式下，VF1脉宽调制工作，VF2～VF4一直处于关断状态。如图c所示，当VF1导通时，电感储能，电感电流iL上升；当VF1关断时，iL通过VD2和VD3续流，iL下降，电感释放能量，如图d所示。定义VF1的占空比DVF1=ton/T，ton为VF1的导通时间，T为开关周期，输入输出电压满足U2=DVF1U1

U2<U1

2、升压变换：工作模态B和C组合，构成Boost升压变换器。在此模式下，VF1一直导通，VF2、VF3一直关断，VF4脉宽调制工作。当VF1和VF4导通时，电感储能，电感电流iL上升，负载电流由C2提供，如图b所示；当VF4关断时，如图c所示，输入电源和电感一起通过二极管VD3和VF1提供能量给输出端，iL下降。定义VF4的占空比为DVF4，对应VF4的导通时间除以开关周期时间，输入输出电压满足3、升降压变换：工作模态B和D组合，构成Buck-Boost变换器。在此模式下，VF1和VF4脉宽调制工作，VF2、VF3一直关断。当VF1和VF4导通时，电感储能，电感电流iL上升，电容C2提供能量给负载，如图b所示；当VF1和VF4关断时，iL通过VD2和VD3续流，iL下降，电感释放能量，如图d所示。定义VF4的占空比为DVF4，对应VF4的导通时间除以开关周期，根据电感正负伏秒积相等，有

因此，当DVF4>0.5时，U2

>U1，U1→U2的变换为升压；当DVF4<0.5时，U1

>U2，U1→U2的变换为降压。7.1.3全桥隔离型双向直流变换器（双有源全桥）

隔离型双向直流变换器有多种电路结构，图示为目前应用广泛的全桥隔离型双向直流变换器，也称双有源全桥（DualActiveBridge，DAB）直流变换器。DAB主要由两个全桥变换器、两个电容、一个辅助电感和一个高频变压器组成。原边全桥H1由开关器件VF1～VF4构成，其交流端口电压为vH1；副边全桥H2由VF5～VF8构成，其交流端口电压为vH2。H1和H2通过辅助电感L1和高频变压器进行连接，变压器变比为n:1，高频变压器给电路提供电气隔离和电压匹配，而辅助电感作为瞬时能量储存环节。DAB是高频隔离功率变换系统的核心变换器之一，可作为一种大功率隔离型DC/DC应用场合的普遍解决方案。1.基本工作原理

图示对比了高频隔离的DAB和传统交流电力系统的基本工作原理。对于DAB，两侧全桥均工作在逆变状态，在交流环节产生高频交流波。因此，与交流电力系统中双机系统的工作原理类似，DAB也可以等效为两个交流源连接在电感两端，通过调节两个交流源之间的相移来调节功率流动的大小和方向，所不同的是传统交流电力系统中交流源为工频正弦波，而DAB为高频方波。V1和V2分别为全桥H1和H2的直流端电压，vH1为全桥H1的交流输出电压，vH2为全桥H2的交流输出电压，iL1为电感电流。

定义电压传输比M=nV2/V1，n为变压器原、副边匝数比，电压传输比M也称为电压增益。当M=1时，表示DAB变换器的输入输出电压可以通过高频变压器变比进行匹配；当M<1时，副边桥臂中点电压通过高频变压器折算后的电压nvH2的幅值小于原边桥臂中点电压vH1的幅值，可认为DAB工作在降压状态；当M>1时，nvH2的幅值大于vH1的幅值，可认为DAB工作在升压状态。2.控制方法

单移相（SinglePhaseShift，SPS）控制是DAB中最基础和最简单的一种控制方法，也是应用最广泛的，如图所示。在该控制方式中，各全桥电路中对角开关管的驱动脉冲相同，同一桥臂开关管驱动脉冲互补，分别在变压器原边和副边产生占空比为50%的方波电压vH1和vH2；而在两全桥之间对应开关管的驱动脉冲存在一个相对相移D（或移相时间DThs），进而vH1和vH2之间也存在移相时间DThs，其中Ths为半个开关周期。对于不同功率传输方向，vH1和vH2之间的移相顺序将会颠倒，功率总是从超前相位侧流向滞后相位侧。3.工作模态与开关特性

以正向功率流为例，反向时类似。

假设变换器已工作于稳定状态，电感L1电流iL1从左到右定义为正，根据正向功率流控制原理，DAB的工作模式可以分为6种状态，如图所示。

1）模式1：t=t0～t’0阶段

模式1的工作状态如图a所示，在t0时刻之前，开关管VF2和VF3导通，电流iL1为负；在t0时刻，开关管VF2和VF3关断，VF1和VF4导通，由于电流iL1仍为负，所以电流经过VD1和VD4续流。

2）模式2：t=t’0～t1

模式2的工作状态如图b所示，在t’0时刻，电感电流iL1由负变为正，原边侧全桥电流由VD1、VD4切换到VF1、VF4，副边侧全桥电流由VD6、VD7切换到VF6、VF7，因此，原边侧VF1、VF4和副边侧VF6、VF7零电压开通（ZVS）。

3）模式3：t=t1～t2阶段

模式3的工作状态图如图c所示，在t1时刻，开关管VF5、VF8导通，VF6和VF7关断，由于电感电流iL1为正，原边侧全桥状态不变，副边侧全桥电流由VF6、VF7切换到VD5、VD8。4）模式4：t=t2～t’2阶段

模式4的工作状态图如图d所示，在t2时刻，开关管VF2、VF3导通，VF1和VF4关断，由于电感电流iL1为正，原边侧全桥电流由VF1、VF4切换到VD2、VD3，副边侧全桥状态不变。5）：模式5：t=t’2～t3

模式5的工作状态如图e所示，在t’2时刻，电感电流iL1由正变为负，原边侧全桥电流由VD2、VD3切换到VF2、VF3，副边侧全桥电流由VD5、VD8切换到VF5、VF8，因此，原边侧VF2和VF3、副边侧VF5和VF8均为零电压开通（ZVS）。6）模式6：t=t3～t4阶段

在t3时刻，开关管VF6、VF7导通，VF5和VF8关断，由于电感电流iL1为负，原边侧全桥状态不变，副边侧全桥电流由VF5、VF8切换到VD6、VD7。

根据上述分析，图7-10a所示工作状态下，DAB的所有开关管均工作在ZVS开通状态。4.传输功率特性可以得到DAB的传输功率为

式中，n为变压器变比；fs=1/(2Ths)为开关频率；D为半个开关周期内的相对相移，0≤

D

≤1。由式可知，通过调节相对相移D就可以调节DAB功率流动的大小和方向，进而也可以调节变换器输出电压的大小。7.1.4

CLLLC双向谐振式DC-DC变换器

1、电路结构及工作原理

双向CLLLC谐振变换器主功率电路结构如图所示，变压器T变比为n:1，Lm为变压器励磁电感，Lr1和Lr2为谐振电感且等效对称，分别包含了变压器一次侧和二次侧漏感，Cr1和Cr2为谐振电容且等效对称，同时具有隔直作用。通过调节开关频率来调节变换器的输出电压。

CLLLC谐振变换器的对称结构和对称控制使得其正反向工作原理具有对称性，可实现双向传输功率，实现输入侧功率开关管的ZVS开通，输出侧整流二极管的ZCS关断。CLLLC双向谐振变换器的工作模态分析同第6章LLC谐振变换器。2、等效电路

由基波分析法可得到CLLLC谐振变换器的等效电路如图，图中VAB1(t)为VAB的基波分量，VCD1(t)为VCD的基波分量，Ro为输出端所接负载电阻，为了进一步简化变换器的等效电路，将变压器的副边参数折算到变压器的原边，其中：7.2双向ac/dc变换器

这里以单相为例，双向单相ac/dc变换器的电路及原理同4.5.4节的单相桥式PWM整流器，通过同一功率电路拓扑，既可用于将交流电转为直流电（整流+PFC模式），也可将直流电转为交流电（逆变），工作原理可参考4.5.4节，这里不再详述。7.3双向ac/ac变换器

ac/ac变换器用于将一种交流电转换成另一种交流电。若输入输出交流电的频率不变，它将是一种电子式变压器；若输入输出频率不同，就是变频器。ac/ac变换器按有否隔离分为两类：隔离型和非隔离型。ac/ac按相数分为单相、三相和多相多种，本章仅讨论单相变换器。

非隔离的单相ac/ac变换器有两种：一种是由两个相同的ac/dc变换器背靠背组合而成，另一种是在两个ac/dc变换器之间加有dc/dc变换器。前者用于输入输出电压差别不大的场合，后者用于两个交流电压相差较大的场合。若dc/dc为单向变换器，则由此构成的ac/ac变换器也为单向电能传输。若ac/dc和dc/dc均为双向变换器，则ac/ac变换器也为双向，简写为Biac/ac。

隔离型ac/ac变换器由两个ac/dc变换器和一个带隔离的dc/dc变换器构成，是否为双向变换器同样取决于dc/dc变换器是否为双向变换器。1.由两个ac/dc变换器构成的单相ac/ac变换器图示是由单相ac/dc和单相dc/ac构成的Biac/ac。能量自左向右传输时，左变换器工作于PFC模式，由于PFC为升压Boost工作方式，故直流电压Udc大于交流电压u1的峰值。右变换器为dc/ac逆变器工作方式，左右变换器级联构成ac/ac单相变换器。

由于左右变换器结构对称，且均为双向变换器，因此级联构成的是双向ac/ac变换器。变换器通过改变功率管的占空比D来实现输出电压的调节。该变换器的特点是既可用作变压器，即输入输出电压同频率，也可用作变频器。2、含有中间dc/dc变换器的ac/ac变换器

假设交流电源电压有效值为230V，要求ac/ac变换器输出电压为交流24V，在这种情况下，在左右两个ac/dc变换器间加入dc/dc变换器是合理的。如图所示，此处加入的dc/dc为Buck/Boost变换器，用于将直流电压Ud1降低为直流电压Ud2，这样右变换器的开关管可以选用低电压、大电流的器件，而低压大电流MOSFET器件的通态电阻小，有利于减小损耗和降低变换器成本。3.含有隔离dc/dc变换器的双向单相ac/ac变换器

隔离型dc/dc变换器有多种类型，有可控的dc/dc变换器和不可控的dc/dc变换器，不控dc/dc即为直流变压器（DCT）。由于DCT借助变压器一、二次侧匝数比不同实现输入和输出电压的改变，从而借助DCT即可实现ac/ac变换器两端交流电压的不同值。

图示为中间插入不对称半桥DCT的ac/ac隔离变换器电路结构。因该不对称半桥DCT为双向dc/dc变换器，故这是个双向ac/ac变换器。

隔离ac/ac变换器拓宽了变换器的应用范围。在DCT的任一侧加上蓄电池，就是一个双输出的应急交流电源，构成不间断电源（UPS）。7.4电动汽车中的电力电子技术电动汽车充电及电机驱动系统结构一种高效率单相车载充电机主电路结构图7.5储能7.5.1储能及组成

储能按照应用场景可以分为电源侧、电网侧、用户侧储能，其中电源侧、电网侧储能又称为表前储能或大储，用户侧储能又称为表后储能。用户侧储能分为工商业储能与家庭储能，两者的区别在于客户群体，近两年市场，我国的用户侧储能基本以工商业储能为主。

储能系统通常包括功率变换系统（PCS）、电池管理系统（BMS）、能量管理系统（EMS）等主要部分。

储能变流器，又称双向储能逆变器，简称PCS（PowerConversionSystem），是实现储能电池与电网间的交直流转换、完成两者间双向能量流动的电力电子装置。PCS既可以通过AC-DC变换给储能电池充电，又可以通过DC-AC变换将储能电池的直流电逆变成交流电输送给电网或供给交流负载使用，是储能系统的核心装置，其关键技术是交直流双向变换。7.5.2储能分类1、

大储

应用在新能源电站、电网等场景的大功率储能，简称为“大储”。大储装机规模大，通常达到兆瓦时级以上，主要以集装箱形式组建，储能电站需要接受电网调度，储能电站对电池进行分层分级统一管理，结构层次相对工商储复杂；PCS直流侧电压宽，1500V可满载运行；除变流器基本功能外，还具备电网支撑功能，如具备一次调频、源网荷快速调度功能等，电网适应性强，能够实现功率快速响应；大储对EMS系统要求较高，除基本能量管理功能，还需要具备为微电网系统提供电网调度接口及能量管理功能。

大储系统分为直流耦合方案和交流耦合方案，如图所示。a）直流耦合方案b）交流耦合方案2、工商业储能

工业园区、商业园区、数据中心、大型商场及医院等通过配置储能系统，峰谷套利，节省园区用电成本；另外，储能作为备用电源，应急供电，提高了园区供电可靠性；工商业储能系统利用锂电池作为储能装置，通过本地及远端EMS管理系统，完成电网、电池、负载三者之间的电能提供和电能需求的