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近年來，基于電池或超級(jí)電容的儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展得到了越來越多的關(guān)注，在智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車、軌道交通等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC-DC變換器（Bidirectional DC-DC Converter, BDC）是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元與直流母線間能量交換的核心設(shè)備，影響著儲(chǔ)能系統(tǒng)的性能。所以，BDC的設(shè)計(jì)與控制技術(shù)已經(jīng)成為了儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。

BDC可以分為隔離型與非隔離型兩大類。變壓器的存在使得隔離型BDC安全性較高，但體積龐大，效率較低，在大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用較少。而非隔離型BDC具有結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，成本低等優(yōu)點(diǎn)，更適用于大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)。

目前常見的非隔離型BDC主要有半橋型拓?fù)洹⒔诲e(cuò)并聯(lián)型拓?fù)?、多電平拓?fù)湟约凹?jí)聯(lián)模塊化拓?fù)涞?。半橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制較為簡單，但系統(tǒng)所需無源濾波器件體積較大，且開關(guān)器件的電壓及電流應(yīng)力較高。交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)淇捎行Ы档烷_關(guān)器件的電流應(yīng)力，但器件的電壓應(yīng)力仍較大。

有學(xué)者提出了一種三電平BDC，克服了傳統(tǒng)半橋型BDC的缺陷，但在大功率場合仍需要較大的濾波器件。級(jí)聯(lián)型變換器具有結(jié)構(gòu)簡單靈活、易于拓展、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注。M.M.Daniel等首次提出了一種適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)型雙向DC-DC變換器（Modular Multilevel DC-DC Converter, MMDDC）。

相較于傳統(tǒng)拓?fù)洌琈MDDC在中高壓大功率儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有明顯的優(yōu)勢：①模塊化串聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使低壓開關(guān)器件應(yīng)用于中、高壓系統(tǒng)；②能夠在不改變開關(guān)頻率的前提下提升系統(tǒng)電流的脈動(dòng)頻率，從而降低系統(tǒng)濾波元件的體積；③具備動(dòng)態(tài)能量控制功能，避免外部均衡電路的使用，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在此基礎(chǔ)上，武偉等對(duì)該拓?fù)涞哪芰抗芾砗碗妷壕獠呗赃M(jìn)行了研究。有學(xué)者分別對(duì)該變換器的開路故障檢測方法和均衡控制策略進(jìn)行了研究，進(jìn)一步推動(dòng)該變換器在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

但是，通過前期研究發(fā)現(xiàn)MMDDC也存在一定的不足之處：①該變換器以升壓的形式進(jìn)行能量存儲(chǔ)，儲(chǔ)能側(cè)的電壓等級(jí)較高，且模組數(shù)量較多；②子模組占空比在0.5~1之間，工作范圍較??；③當(dāng)母線電壓受負(fù)載波動(dòng)瞬時(shí)升高時(shí)，子模組上橋臂反并聯(lián)二極管會(huì)提供電流導(dǎo)通路徑，易使系統(tǒng)過電流運(yùn)行，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全。

為了解決MMDDC的過電流問題，有學(xué)者提出了一種改進(jìn)型模塊化多電平變換器，通過在變換器前端增加開關(guān)器件和續(xù)流二極管，并配以峰值電流控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電流的嚴(yán)格控制。但該方案中增加的開關(guān)器件需要承受較大的電壓及電流應(yīng)力。

為了解決傳統(tǒng)模塊化多電平變換器應(yīng)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)中存在的問題，江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院的研究人員劉樂、畢愷韜、朱一昕、樊啟高、顏文旭，在2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文，提出一種新型阻抗源模塊化雙向功率變換器。

圖1 qZS-MMDDC系統(tǒng)拓?fù)?/p>

他們將雙向準(zhǔn)Z源引入MMDDC中，提出一種新拓?fù)?。阻抗源的引入改變了MMDDC的能量傳輸模式，相比于MMDDC，該變換器的優(yōu)點(diǎn)包括：①半橋子模組的輸入電壓可控，從而解決了系統(tǒng)過電流問題；②雙向準(zhǔn)Z源的升壓功能可減少子模組的數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；③阻抗源的直通模式不僅有助于提升系統(tǒng)可靠性，同時(shí)也能夠提高子模組占空比工作范圍；④雙向準(zhǔn)Z源使得儲(chǔ)能側(cè)電流連續(xù)，有助于提高儲(chǔ)能設(shè)備的壽命。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

研究人員表示，阻抗源的直通升壓特性使得基于雙向準(zhǔn)Z源的子模組具備多種工作模式，不僅可實(shí)現(xiàn)半橋子模組的輸入電壓控制，解決傳統(tǒng)MMDDC存在的充電模式下易過電流的問題，同時(shí)對(duì)于相同電壓等級(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，可有效減少子模組的數(shù)量，進(jìn)一步簡化級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提升系統(tǒng)可靠性。

他們?cè)敿?xì)分析了變換器的子模組工作原理、調(diào)制方法，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)控制策略，通過搭建的儲(chǔ)能系統(tǒng)物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了有效驗(yàn)證。理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提變換器相較于傳統(tǒng)模塊化多電平變換器，更適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用。

本文編自2022年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1，論文標(biāo)題為“適用于儲(chǔ)能系統(tǒng)的準(zhǔn)Z源模塊化多電平雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)與控制”。