南航学者提出电流源双向直流变换器的并联环流抑制方法

　　头号周刊
　　在电池储能系统应用中，电流型隔离双向直流变换器由于具有低电池电流纹波、高升压比、低损耗等多种优点而得到了研究人员的关注，有学者从电路拓扑优化、软开关实现、损耗优化等方面对单个变换器的稳态工作特性进行了研究。当电池储能系统需要扩容时，将多个由蓄电池和电池储能变换器组合而成的电池储能模块在直流母线上并联起来是一种常见的方法，从而形成了多个变换器模块一端独立、一端并联的并联形式。
　　与常见的两端并联的组合方式相比，这种连接方式能够有效利用现有的储能模块，扩容更为方便，但是罕有文献针对这种连接方式下的并联稳定性和均流效果进行研究。由于双向直流变换器中不存在能够阻断双向电流的二极管，更易产生在并联系统中的环流，破坏变换器的正常运行，因此并联模块之间的均流是十分重要的。
　　常见的变换器并联均流方法可分为有通信和无通信两大类。有学者提出的主动均衡方法通过数据总线控制数据的传送和自动择主逻辑的实现，均流效果较好，但是模块间通信的存在使得系统难以通过简单的增减模块数量来扩容，而且通信中断、干扰甚至延时都会导致整个并联系统的失效，存在单点故障的可能。
　　无通信的并联均流方法以下垂控制为代表。与传统的下垂控制不同，传统下垂控制是通过控制环路在并联端口上虚拟出一个阻抗，从而实现电流的均分。一般地，下垂控制的准确度相对较低，并联模块间的环流更为明显。
　　而对于电流源型双向直流变换器，有学者提出了将下垂特性设置在直流母线电压与蓄电池电流之间的下垂曲线。这一方法能够直接控制蓄电池电流，在更容易保证蓄电池安全运行的同时，避免了增加直流母线电流传感器。
　　除了上述这些常规方法，也有文献使用模块间电路或者磁路的耦合来均衡并联电流，但是该类方法依赖变换器的自身特性，难以推广到其他拓扑的变换器，而且模块间的这些耦合会破坏模块的独立性，在模块化并联结构中难以应用。综上所述，这些并联均流方法大多应用于两端并联的组合方式上，对于一端独立、一端并联组合并联的稳定性问题研究较少，仍有待解决。
　　为解决多个电流源型隔离双向直流变换器挂接在母线上产生的并联环流问题，南京航空航天大学自动化学院的研究人员张曌、谢少军、尚晓凤、杨楷文，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，首次分析指出了电流源半桥变换器在一端独立、一端并联结构下环流产生的原因在于变换器的端口导纳在谐振频率附近会由容性变为感性。基于此，他们提出了一种简单的变换器并联环流抑制方法。
　　研究人员首先基于变换器的直流母线端口导纳，分析得到并联系统稳定和并联模块间电流均衡的通用条件；进而针对电流源半桥变换器的结构特点与控制策略，以及基于通用平均模型得到的变换器的开环传递函数，结合下垂控制的控制框图，分析推导电池储能模块的直流母线侧端口导纳表达式；通过将变换器的端口导纳代入并联系统稳定和并联模块间的电流均衡条件，发现变换器内在的LC谐振结构是并联环流存在的重要原因；最后分析直流母线端口电容对端口导纳的影响。
　　他们的仿真结果验证了所提环流抑制方法的正确性，本次研究从理论上分析得到并证明了电流源型隔离双向直流变换器并联环流存在的原因，从而为变换器的并联组合的稳定运行提供了一种可行的方法。
　　本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为电流源双向直流变换器的并联环流抑制方法。本课题得到了国家自然科学基金的支持。