基于变频-移相混合控制的L-LLC谐振双向DC-DC变换器
中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、河北农业大学机电工程学院的研究人员吕正、颜湘武、孙磊，在2017年第4期《电工技术学报》上撰文指出随着储能系统的不断发展及其在直流分布式系统中的广泛应用，充当储能与直流分布式系统能量交互接口，调节范围宽、运行效率高的双向直流变换器得到深入的研究。
提出一种基于变频-移相混合控制的L-LLC谐振双向直流变换器，具备宽泛的增益及功率范围，可实现输入侧开关管的零电压开通和输出侧整流管的零电流关断，运行效率高。对变频-移相控制下L-LLC的运行状态及特性进行了精确的描述分析，从理论层面论证采用变频-移相混合控制的合理性并提出一种简单的变频-移相混合控制实现方法。
样机实验结果验证了L-LLC谐振双向直流变换器理论分析的正确性及其在运行效率和调节范围两方面性能的优越性。
在全球气候恶化、能源需求激增的双重压力下，用于完成将清洁能源向电能转化的位于用户侧的各类分布式电源已逐渐成为解决环境及能源问题的关键设备[1-3]。由于分布式电源的间歇性和波动性，分散接入将增加配电网电能质量调节[4]、功率潮流分布[5]和继电保护策略[6]的复杂程度，降低配电网运行可靠性。
分布式电源、储能系统（Energy Storage Systems, ESSs）及区域性负荷以直流分布式系统形式接入配电网现已成为解决分布式电源功率波动、削减变流器使用数量的有效手段[7]。
在典型直流分布式系统中，双向DC-DC变换器（BidirectionalDC-DC Converters, BDCs）是实现ESSs与直流母线能量交互、稳定直流母线电压的关键设备。ESSs的输出电压及电流范围较宽，这要求BDCs具备较宽的电压增益范围以及功率接纳能力。为此，各国学者提出了拓扑结构、控制方法各异的BDCs。
其中，采用移相（Phase Shift, PS）控制的双有源全桥（Dual-Active-Bridge,DAB）BDC因系统惯性小、动态响应快、易实现软开关等优点引起了广泛关注[8,9]。但传统单移相控制的DAB-BDC在电压增益远离单位增益或轻载时无功环流和电流应力均较大，工作效率较低[10]。
文献[11]提出双移相控制方法以改善DAB-BDC的性能，但该方法的实用性仍有待提高。文献[12]提出一种三移相控制方法，并通过引入过程变量使无功环流最小，但实验结果表明其在增加控制复杂度的同时未能显著提升DAB-BDC效率。
近年来谐振类DC-DC变换器得到了广泛关注，尤其是LLC谐振变换器。研究表明LLC谐振变换器经优化设计可在较宽的增益范围及0～Pra（额定功率）的全功率范围内高效运行[13]。
鉴于LLC变换器仅能实现功率的单向传输，文献[14,15]分别提出对称、非对称CLLC-BDC，其在功率双向流动时只能升压，并非常规意义上的BDC。文献[16]提出基于同步控制的L-LLC-BDC，但其电压增益范围因受限于无功环流而较窄。文献[17]提出一种脉宽、幅值调制的三电平LLC-BDC，其增益范围宽泛，但控制方式复杂。
针对上述情况，本文将用于扩增传统LLC变换器增益范围的变频（VariableFrequency, VF）-PS混合控制方法与文献[16]中的L-LLC-BDC拓扑电路结合，提出一种基于VF-PS混合控制的调节范围宽泛的L-LLC-BDC，其在保有LLC变换器全功率范围内实现开关管的零电压开通（Zero VoltageSwitching, ZVS）、整流管的零电流关断（Zero Current Switching, ZCS）优势的同时，具备VF升压以及PS降压能力，且开关损耗低、运行效率高、电压增益范围宽。
此外，该BDC仅通过一侧开关管的控制实现VF升压、PS降压及VF-PS的自然切换，控制简单灵活。本文论述了L-LLC-BDC的拓扑结构及其在VF-PS控制下的运行状态以及特性；进而论证了对L-LLC-BDC采用VF-PS混合控制的必要性和可行性，并提出一种逻辑简单、易于实现的VF-PS混合控制方法。
图1 L-LLC-BDC拓扑结构
结论
本文将用于扩增传统LLC变换器电压增益范围的VF-PS混合控制方法与新提出的L-LLC拓扑结合，提出一种采用VF-PS混合控制的L-LLC-BDC。理论以及实验结果表明L-LLC-BDC具有以下特性：
1）具有宽泛的电压增益及传输功率调节范围，适于互联蓄电池组、超级电容等ESSs与直流母线。
2）在宽泛的增益及功率范围内实现开关管ZVS和整流管ZCS，电磁干扰低、运行效率高。
3）采用的新型VF-PS混合控制实现方法逻辑简单，扩展了BDCs的控制思路。