高性能雙向直流變換技術(shù)及其應(yīng)用專輯主編評述

張 云，吳紅飛

（1.天津大學(xué)；2.南京航空航天大學(xué)）

進(jìn)入21世紀(jì)后，高效、節(jié)能、環(huán)保理念深入人心，電能作為清潔能源已逐步取代傳統(tǒng)能源。雙向直流變換技術(shù)作為電能變換的關(guān)鍵技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到直流微電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)、電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)、光伏、分布式發(fā)電等多種場合。然而，依托于傳統(tǒng)雙向直流變換技術(shù)的電力電子變換裝置的缺陷已日益凸顯，體積龐大、轉(zhuǎn)換效率低、系統(tǒng)可靠性低、發(fā)熱嚴(yán)重等問題的出現(xiàn)，意味著傳統(tǒng)雙向直流變換技術(shù)已不能滿足現(xiàn)代電力變換的需求，高性能雙向直流變換技術(shù)已成為迫切的發(fā)展需要。性能更優(yōu)異的半導(dǎo)體器件和變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、損耗更低的磁性材料、效率更高的熱管理技術(shù)以及更先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行控制技術(shù)逐漸成為高性能雙向直流變換技術(shù)的發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。為了集中展現(xiàn)高性能雙向直流變換領(lǐng)域最新的研究成果和進(jìn)展，《電源學(xué)報(bào)》特別推出“高性能雙向直流變換技術(shù)及其應(yīng)用”專輯。本專輯征稿通知發(fā)出后，得到了國內(nèi)各高校及企業(yè)同行的大力支持和積極響應(yīng)，經(jīng)過編輯部組織審稿專家進(jìn)行論文評審，本著“優(yōu)中選優(yōu)”的原則，最終錄用論文8篇，其中雙向直流變換器新拓?fù)?篇，電力電子變壓器新拓?fù)?篇，變換器控制策略研究2篇。

Buck-Boost、Cuk、正反激等傳統(tǒng)雙向直流變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、元器件數(shù)量少和控制簡單的優(yōu)勢，但上述變換器同樣存在電壓增益低、元器件電壓電流應(yīng)力高、開關(guān)范圍窄和易運(yùn)行在極端占空比等劣勢，這些性能指標(biāo)會直接影響雙向直流變換器的安全性、穩(wěn)定性和高效性，因而在多種復(fù)雜應(yīng)用場合對雙向直流變換器的性能提出了更高的要求。華南理工大學(xué)的嚴(yán)志星等在《一種基于內(nèi)置變壓器的高增益雙向DC-DC變換器》中，通過將內(nèi)置變壓器集成于飛跨電容結(jié)構(gòu)和2個交錯并聯(lián)的Buck-Boost結(jié)構(gòu)，使所提雙向DC-DC變換器具有高電壓增益、低電壓應(yīng)力和低電流紋波的優(yōu)點(diǎn)。湖南三一智能控制設(shè)備有限公司的姚洪濤等在《一種并聯(lián)輸入并聯(lián)輸出的寬范圍雙向隔離DC/DC變換器》中，提出一種應(yīng)用于低壓大電流雙向功率傳輸場合的直流變換器，該變換器采用高效率LLC諧振和交錯式Buck-Boost組合結(jié)構(gòu)，具有高動態(tài)性能和寬電壓輸出范圍。中南大學(xué)的粟梅等在《一種具有恒電壓增益和自動功率限制能力的雙向LLC-DCX變換器及其調(diào)制策略》中，提出一種新型LLC-DCX變換器，該變換器成功實(shí)現(xiàn)了啟動電流抑制和恒功率限制。山東科技大學(xué)的房緒鵬等在《一種高增益雙向準(zhǔn)Y源DC-DC變換器》中，針對傳統(tǒng)雙向DC-DC變換器電壓增益小、傳輸效率低等問題，提出一種改進(jìn)型準(zhǔn)Y源DC-DC變換器拓?fù)洌撏負(fù)渫ㄟ^調(diào)節(jié)耦合電感的匝比實(shí)現(xiàn)功率雙向傳輸，電壓增益進(jìn)一步提高。

分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)和直流微電網(wǎng)等電力變換技術(shù)應(yīng)用場合中，常需要將多個源與直流母線或多個負(fù)載與直流母線相匹配。而兩端口雙向直流變換器受限于端口數(shù)量，只能實(shí)現(xiàn)單一源或單一負(fù)載與直流母線匹配，而多端口雙向DC-DC變換器則解決了多能量源與直流母線匹配的難題。南京航空航天大學(xué)的楊柳等在 《基于三端口雙向DC/DC變換器的高增益組合式交直流變換器》中，提出一種新型三端口DC-DC變換器，基于交流側(cè)電壓周期性波動的特點(diǎn)，利用該變換器同時(shí)提供高壓母線端口和低壓母線端口，使得部分功率僅需經(jīng)過低電壓增益直流變換環(huán)節(jié)處理，為高增益高效率雙向交直流變換提供了有利條件。

隨著智能電網(wǎng)的不斷研發(fā)與建設(shè)，用戶對供電可靠性、靈活性和電能質(zhì)量提出了更高要求，傳統(tǒng)變壓器已不能滿足智能電網(wǎng)的需要。電力電子變壓器與傳統(tǒng)變壓器相比，不僅具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)可調(diào)和強(qiáng)帶載能力。南京師范大學(xué)的鄢寅宇等在《面向港口供電的模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器》中，以港口供電系統(tǒng)為背景，提出一種模塊化多電平矩陣型電力電子變壓器拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了海上風(fēng)電場、岸上電網(wǎng)和港口用電設(shè)備間的多向功率流動。

在電力電子變換系統(tǒng)中，硬件系統(tǒng)與控制策略相輔相成又互補(bǔ)優(yōu)劣。雙向直流變換器的性能除取決于元器件性能外，還很大程度上依賴于控制方法。良好的控制方法及策略可有效補(bǔ)償因器件性能缺陷產(chǎn)生的不良影響，例如軟開關(guān)技術(shù)可有效降低器件的開關(guān)損耗，智能控制方法可有效提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和降低電流紋波。北京理工大學(xué)的李沫霖等在《負(fù)載電流前饋閉環(huán)控制的快速動態(tài)響應(yīng)雙有源橋式變換器的輸出阻抗分析》中，運(yùn)用小信號建模詳細(xì)分析了DAB變換器的輸出阻抗特性，并在此基礎(chǔ)上引入前饋控制策略，有效提高了雙有源橋變換器的動態(tài)響應(yīng)。湘潭大學(xué)的陳才學(xué)等在《面向雙有源橋?qū)捲鲆娣秶碾娏鲬?yīng)力最小化策略研究》中，運(yùn)用改進(jìn)灰狼算法求解了與DAB電流應(yīng)力相關(guān)的非線性優(yōu)化約束問題，解決了DAB在變壓器原副邊電壓不匹配時(shí)電流應(yīng)力急劇增大問題。

綜上，本專輯論文針對高性能雙向直流變換技術(shù)中面臨的多方面挑戰(zhàn)展開了研究，為相關(guān)原理分析及工程應(yīng)用提供了理論支撐和關(guān)鍵技術(shù)，具有很好的參考價(jià)值。希望通過本專輯的出版能對高性能雙向直流變換技術(shù)的研究起到一定推進(jìn)作用，進(jìn)而加快我國電力變換系統(tǒng)的性能優(yōu)化升級進(jìn)程。

最后，衷心感謝有關(guān)專家學(xué)者及業(yè)界同仁對本專輯策劃、征稿、投稿和評審工作的大力支持！