用于新能源發電系統ZVS多端口DC／DC變流器

摘要：提出一種應用于新能源發電系統的多端口雙向DC／DC變流器。該變流器由兩個有源全橋、一個有源半橋和一個三繞組高頻變壓器組成。通過調節變壓器兩側電壓的移相角可實現輸入和輸出側的雙向能量流動。利用緩沖電容和變壓器的漏感實現軟開關，并對升壓模式下的能量流動和軟開關條件進行詳細理論分析，改變移相角可以影響軟開關的范圍。最后通過仿真和實驗驗證了多端口雙向DC／DC變流器的性能。
關鍵詞：變流器；多端口；軟開關

1 引言
由于環境和經濟原因，新能源已經引起了全球范圍的極大關注。目前所使用的新能源包括太陽能、風能、地熱能、潮汐能、氫能和生物能等。由于絕大多數新能源以電能形式產生，因此電能變換技術的創新對于使用新能源時的成本就變得非常關鍵。
雖然對可再生能源的研究取得了一定進展，但是也存在一些內在問題。其一為間歇性，即可再生能源輸出的功率不是恒定的；其二為相對于電力負荷，可再生能源反應比較慢。通常，可再生能源與儲能單元結合可增強系統性能或實現附加的功能。
作為一種新穎的電力電子變流器，多端口雙向DC／DC變流器越來越多地應用于以燃料電池、太陽能和風能為代表的新能源發電系統。它可以有效地將儲能裝置、新能源發電設備以及負載結合起來。同時，還可以克服新能源發電系統的內在缺點，具有功率密度高、易實現集中控制和能量管理等優點。盡管多端口變流器越來越多地應用于新能源發電系統、電動汽車、UPS和混合儲能系統等，但所提出的多端口變流器的拓撲或多或少具有以下缺點：功率單向流動；無電氣隔離；高電流應力；元器件數量多；控制復雜；多個電源不能同時傳遞功率。

2 穩態分析
為解決上述問題，這里提出一種三端口雙向DC／DC變流器。它由低壓側兩個有源全橋、高壓側一個有源半橋及一個三繞組高頻變壓器組成，如圖1所示。該變流器具有以下優點：有電氣隔離；輸入電流紋波小；無需輔助電路實現軟開關；電容數量少；低壓側開關應力低；可在多個電源之間單獨或同時傳遞功率；由于變壓器的變比高，可以匹配不同電壓等級。

低壓側分別連接儲能單元，例如蓄電池和超級電容器。變壓器的漏感起到儲能和能量傳遞作用。升壓模式下變壓器兩側理想的電壓和電流波形如圖2所示。變壓器低壓側兩個全橋分別產生方波電壓ur12(結構A1中)，ur56(結構A2中)，變壓器高壓側產生方波電壓ur34。通過調節3個開關橋方波電壓之間的移相角可以實現并控制雙向功率流動。