- 頭條江南大學學者提出用于儲能系統的新型阻抗源模塊化雙向功率變換器2022-12-15 作者：劉樂、畢愷韜 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為了解決傳統模塊化多電平變換器應用于儲能系統中存在的問題，江南大學物聯網工程學院的研究人員劉樂、畢愷韜、朱一昕、樊啟高、顏文旭，在2022年《電工技術學報》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。
近年來，基于電池或超級電容的儲能系統隨著電力電子技術的發展得到了越來越多的關注，在智能電網、電動汽車、軌道交通等領域得到了廣泛應用。儲能系統中雙向DC-DC變換器（Bidirectional DC-DC Converter, BDC）是實現儲能單元與直流母線間能量交換的核心設備，影響著儲能系統的性能。所以，BDC的設計與控制技術已經成為了儲能系統關鍵技術的研究熱點之一。
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，在大功率儲能系統中應用較少。而非隔離型BDC具有結構簡單，控制方便，成本低等優點，更適用于大功率儲能系統。
目前常見的非隔離型BDC主要有半橋型拓撲、交錯并聯型拓撲、多電平拓撲以及級聯模塊化拓撲等。半橋型拓撲結構及控制較為簡單，但系統所需無源濾波器件體積較大，且開關器件的電壓及電流應力較高。交錯并聯拓撲可有效降低開關器件的電流應力，但器件的電壓應力仍較大。
有學者提出了一種三電平BDC，克服了傳統半橋型BDC的缺陷，但在大功率場合仍需要較大的濾波器件。級聯型變換器具有結構簡單靈活、易于拓展、控制方便等優點，近年來受到了廣泛關注。M.M.Daniel等首次提出了一種適用于儲能系統的級聯型雙向DC-DC變換器（Modular Multilevel DC-DC Converter, MMDDC）。
相較于傳統拓撲，MMDDC在中高壓大功率儲能系統中具有明顯的優勢：①模塊化串聯的拓撲結構可以使低壓開關器件應用于中、高壓系統；②能夠在不改變開關頻率的前提下提升系統電流的脈動頻率，從而降低系統濾波元件的體積；③具備動態能量控制功能，避免外部均衡電路的使用，簡化系統結構。
在此基礎上，武偉等對該拓撲的能量管理和電壓均衡策略進行了研究。有學者分別對該變換器的開路故障檢測方法和均衡控制策略進行了研究，進一步推動該變換器在儲能系統中的實際應用。
但是，通過前期研究發現MMDDC也存在一定的不足之處：①該變換器以升壓的形式進行能量存儲，儲能側的電壓等級較高，且模組數量較多；②子模組占空比在0.5~1之間，工作范圍較小；③當母線電壓受負載波動瞬時升高時，子模組上橋臂反并聯二極管會提供電流導通路徑，易使系統過電流運行，嚴重威脅系統的安全。
為了解決MMDDC的過電流問題，有學者提出了一種改進型模塊化多電平變換器，通過在變換器前端增加開關器件和續流二極管，并配以峰值電流控制，來實現對系統電流的嚴格控制。但該方案中增加的開關器件需要承受較大的電壓及電流應力。
為了解決傳統模塊化多電平變換器應用于儲能系統中存在的問題，江南大學物聯網工程學院的研究人員劉樂、畢愷韜、朱一昕、樊啟高、顏文旭，在2022年《電工技術學報》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系統拓撲
他們將雙向準Z源引入MMDDC中，提出一種新拓撲。阻抗源的引入改變了MMDDC的能量傳輸模式，相比于MMDDC，該變換器的優點包括：①半橋子模組的輸入電壓可控，從而解決了系統過電流問題；②雙向準Z源的升壓功能可減少子模組的數量，簡化系統結構；③阻抗源的直通模式不僅有助于提升系統可靠性，同時也能夠提高子模組占空比工作范圍；④雙向準Z源使得儲能側電流連續，有助于提高儲能設備的壽命。
圖2 實驗平臺
研究人員表示，阻抗源的直通升壓特性使得基于雙向準Z源的子模組具備多種工作模式，不僅可實現半橋子模組的輸入電壓控制，解決傳統MMDDC存在的充電模式下易過電流的問題，同時對于相同電壓等級的儲能系統，可有效減少子模組的數量，進一步簡化級聯系統的結構，提升系統可靠性。
他們詳細分析了變換器的子模組工作原理、調制方法，并設計了系統控制策略，通過搭建的儲能系統物理實驗平臺進行了有效驗證。理論分析及實驗結果表明所提變換器相較于傳統模塊化多電平變換器，更適用于儲能系統應用。
本文編自2022年《電工技術學報》增刊1，論文標題為“適用于儲能系統的準Z源模塊化多電平雙向DC-DC變換器的設計與控制”。
