模塊化多電平直流變換器

　　在移動設(shè)備中，超級電容器通常與蓄電池共同使用提高效率，延長使用壽命，提供恒定功率。通過組合，可充分發(fā)揮超級電容器的高功率密度和蓄電池的高能量密度的優(yōu)勢。

　　摘　要：本文介紹了多電平拓撲結(jié)構(gòu)在超級電容接口與DC總線連接的再生制動應(yīng)用，并詳細分析了模塊化多電平變換器的結(jié)構(gòu)特性和工作原理。結(jié)果表明，模塊化多電平DC-DC變換器在移相調(diào)制中能夠降低電壓，提高頻率。

　　關(guān)鍵詞：多電平,超級電容器,直流變換器

　　一、緒論

　　超級電容器與蓄電池的并聯(lián)方式一般可概括為直接并聯(lián)，通過電感器并聯(lián)和通過功率變換器并聯(lián)。通過功率變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對能量的控制，在工 作過程中，由超級電容器組向脈動負載提供瞬時功率，而蓄電池通過功率變換器以恒流輸出方式工作。超級電容器的電介質(zhì)耐壓很低，制成的電容器一般耐壓僅有幾 伏。為了滿足牽引設(shè)備中高電壓需求，需要將大量超級電容和蓄電池單體串聯(lián)。為了轉(zhuǎn)換高低電壓，使用級聯(lián)多電平變換器。

　　二、級聯(lián)式模塊化多電平變換器

　　再生裝置通過雙向DC-DC變換器將能量儲存在超級電容器中。本文所提及的變換器都是基于圖1(a)所示的半橋拓撲結(jié)構(gòu)。

　　(a) (b)

　　圖1　半橋拓撲結(jié)構(gòu)和典型電流紋波

　　1.半橋變換器

　　圖1(a)為半橋變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。它由兩個晶閘管配對二極管并聯(lián)組成。變換器兩端電壓U1和U2由電感L連接。半橋變換器的電壓不可變，但是電流是雙向的。

　　當變換器工作在連續(xù)導通狀態(tài)時，兩端的電壓和電流關(guān)系如下

　　(3)

　　圖1(b)為電壓為U1時的電流波紋。

　　當超級電容器接在高壓側(cè)時，變換器工作在降壓模式，將超級電容器電壓降低到與直流總線相同;當接在低壓側(cè)時，工作在升壓模式，將超級電容器電壓 提升至總線電壓。級聯(lián)模塊化多電平DC-DC變換器由多個小的變換器模塊或單元組成，輸入輸出電壓、電流和開關(guān)頻率有多個級別。基于這樣的拓撲結(jié)構(gòu)，不會 出現(xiàn)超級電容過熱的現(xiàn)象。

　　2.模塊化多電平DC-DC變換器(MMC)

　　模塊化多電平DC-DC變換器結(jié)構(gòu)如圖2。變換器由多個半橋結(jié)構(gòu)串聯(lián)。整個變換器只有一個電感。由于MMC結(jié)構(gòu)的模塊化，該結(jié)構(gòu)主要用在高壓直流系統(tǒng)。

　　圖2　三模塊MMC直流變換器結(jié)構(gòu)

　　筆者使用的模塊化多電平DC-DC變換器中，超級電容器接在高壓側(cè)，輸出電壓U2由每個半橋結(jié)構(gòu)的輸出電壓UAN累加而得。每個半橋結(jié)構(gòu)的電壓 等級為USCN=USC/N。這種變換器有很多種控制策略。[3]本文中，使用移相控制法。這種控制方法是三角PWM波作為載波，每個半橋向后移相 3600/N.電感中的頻率為半橋開關(guān)頻率的N倍,

　　電感兩端電壓僅為USCN.

　　由于這是降壓模式的變換器，當超級電容器完全充電時，USCN=2UDC/N。因此，電感值為

　　(4)

　　可知，電感值取決于串聯(lián)的半橋個數(shù)和結(jié)構(gòu)。

　　三、結(jié)語

　　模塊化多電平變換器(MMC)可以降低超級電容器組端電壓，由于其多電平結(jié)構(gòu)，有效解決了高電壓與開關(guān)器件功率限制之間的矛盾，還可以看出由于 多模塊化的設(shè)計，使得電感中頻率變?yōu)樵瓉淼腘倍，這樣儲能電感的體積和重量要比相同功率等級下單個半橋式雙向變換器低體積和重量小得多。

　　隨著新能源新技術(shù)的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)不但能夠?qū)崿F(xiàn)對儲能裝置的能量管理，還可以通過一定的控制策略達到平衡儲能裝置電壓等作用，具有很高的應(yīng)用價值。

　　參考文獻：

　　[1] [1]唐西勝, 齊智平.獨立光伏系統(tǒng)中超級電容器蓄電池有源混合儲能方案的研究[J].電工電能新技術(shù), 2006, 25(3): 37-41. .

　　[2] [2]劉恒門,査曉明,孫建軍,等.模塊化多電平換流器的技術(shù)研究綜述[J].變頻器世界,2013,12(3):43-47.