1．目的及意义

电能是社会发展所不可或缺的重要能源，其发展至今已有上百年的历史。目前在工农业生产中常用的电能有交流电、直流电两种，两者的区别在于它们的方向(正负极)是否随时问而改变。直流电在日常生活中无处不在，如生活中人们使用的手机、电脑等电子设备，电力系统中的直流输电技术。目前，高压直流输电和电动汽车一直是直流领域的研究热点。相较于交流电来说，由于直流电不具有趋肤效应，因此高压直流输电技术使得线缆的输送效率得到提高，采用两线制的方式也降低了成本。直流输电线路没有电抗，运行起来较为稳定，同时也能连接不同频率的系统实现非同步联网。此外，直流电流不会产生交变电磁场，因而电磁辐射很小，相对于交流电来说更为环保。传统化石能源的日趋枯竭使得电动汽车得到了越来越多的关注。电动汽车节能环保，能量转换率较高，并且结构简单，维护方便，将会是未来汽车行业的发展趋势。此外，现有的大多数储能设备都是直流的，如铅酸电池、锂电池等。

随着世界经济的快速发展，能源问题日益成为当今世界的主流问题，为了解决石油等化石能源所带来的危害，可再生能源受到了人们越来越多的关注。把分布式电源（DG）、负荷与储能系统结合起来的微电网系统，可以实现与大电网的稳定运行，是分布式发电的一种高效的组织形式。随着微电网中直流型分布式电源（太阳能，风能）和直流负荷的发展，直流微电网技术逐渐获得了各界人士的广泛关注。所以，近年来，光伏发电发展迅速。但由于光伏输出的间歇性、随机性等特点，大规模光伏并网运行时对大电网的稳定性、电能质量、电网保护等方面产生了不利影响。连接光伏电源与微电网之间的核心器件是双向DC-DC变换器，DC-DC变换器的功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，它能实现两端电压的双向转换调节，从而实现电能的双向流动。双向DC-DC变换器是在20世纪80年代被提出的，由于蓄电池充放电的不稳定性，当时有美国学者提出采用Buck-Boost型双向DC-DC变换器代替其进行充放电。双向 DC-DC变换器主要是由于航天电源和电动汽车的需要而发展起来的，其体积比传统蓄 电池小很多，但性能却更为优越，因此发展至今一直受到广大学者的重视。近年来，市场对双向DC-DC的需求越来越大也越来越严，新能源技术的广泛推广，电动汽车飞速发展走向商业化，越来越多的公司投入到双向DC-DC变换器的研究当中，相信在不久的将来，更多的DC-DC变换器的拓扑结构和控制方法会被提出，其发展也会迎来一个新阶段。随着科技和生产的发展，双向DC-DC变换器的应用越发广泛，可以说，在需要直流储能的地方就需要用到双向DC-DC变换器。

在中国大陆，华中科技大学，浙江大学，中科院等机构的学者也对DC-DC变换器进行了深入研究。2001年，浙大的陈刚博士发表论文，对该变换器的软开关技术进行了深入研究，提出了有源箝位双向DC-DC变换器族和零电压开关移项控制双向DC-DC变换器族。2004年，南京航空航天大学的张方华博士对级联式双向DC-DC变换器，推挽正激移相式双向DC-DC变换器，正反激组合式双向DC-DC变换器也做了深入研究。2005年，中国科学院电工研究所的许海平博士围绕大功率双向DC-DC变换器的拓扑结构、PWM技术、系统建模和分析方法数字化控制技术等问题进行系统深入的研究。2005年华中科技大学的马学军博士对中小功率结构简单的移相控制隔离型对称半桥和不对称半桥电压-电流型拓扑这两种类型的拓扑进行了研究。对移相控制隔离型对称双向变换器提出了结合开关函数和等效电路的简化模型建模方法。对半桥双向DC-DC变换器实际工作中所存在的起动问题、开关管电压尖峰问题、对称半桥的均压问题提出了相应的解决方法。如今，同步整流、交错级联、级联组合、软开关技术等日趋成熟，在单向DC-DC变换器中得到广泛的应用。它们也被应用到双向DC-DC变换器中，以降低成本提高效率。另外，直流微电网具有以下优点：(1)由于无需考虑电压的频率、相位等问题，直流微电网的搭建较易实现。对于直流微电网中的分布式电源来说，与母线的连接往往只需一次AC／DC或者DC／DC变流转换。此外直流微电网仅需一个DC／AC逆变器就可实现与大电网的连接。较少的能量变换环节使得直流微电网的结构变得简单，总体电能损耗较低。 (2)将直流微电网应用到配电网中，能够让分布式发电单元(如光伏)所产生的直流电直接供给到家庭及企业中的各种电子设备，使得分布式发电单元得到高效地利用。(3)直流负荷广泛地存在于我们的日常生活中，小到家用电视机、冰箱，大到地铁等交通工具，以及大型数据中心的服务器，并且呈现着逐年增长的趋势。在这种情况下，直流微电网很好地适应了的负荷的发展趋势。作为直流微电网中必不可少的一部分，双向DC／DC变换器起到了能量转换的重要作用。根据实际情况，一般要求双向DC／DC变换器能够可靠稳定地工作，并且其制造成本低，同时还应具备体积小、重量轻等优点。双向DC／DC变换器的电气性能主要包括输出电能质量、电磁兼容性、电能转换效率等。直流微电网母线电压作为衡量系统是否稳定运行的关键因素，与系统中的各个DC／DC变换器的工作性能紧密相关。由此可见，双向DC／DC变换器具有较为重要的研究价值。

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2. 研究的基本内容与方案

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目标：研究一种隔离型双向DC-DC变换器，具体内容如下

1.研究双向DC-DC变换器的总体方案，选择双向DC-DC变换器的主电路拓扑图，确定合适的控制策略。

2.研究这种双向DC-DC变换器的结构及其工作原理，分别对其在BUCK和BOOST两种模式下的工作过程进行详细分析。

3.对双向DC-DC变换器进行建模和控制，详细推到双向DC-DC变换器在两种模式下的小信号模型，并根据不同模式下的小信号模型设计相应的控制器。

4.对双向DC-DC变换器进行参数设计，软件设计，并用MATLAB进行模拟仿真。

基本内容与拟采用方案：

由于微电网储能系统与母线之间存在电压差，因此必须在二者间加入电力电子器件，另外储能系统有充电和放电两种工作模式，其能量是双向流动的，所以就需要选择双向DC-DC变换器。它的拓扑结构是在已有的单向DC-DC变换器的基础上，通过将电路中二极管和开关管分别反并联开关管和二极管来实现能量的双向流动的。相对传统的单向DC-DC变换器来说，双向DC-DC变换器采用的元器件数目相对较少，在两个方向功率切换时效率也更高。另外双向DC-DC还具有动态性能好、转换效率高、功率密度高、体积小、成本低等优势。双向DC-DC变换器分为隔离型和非隔离型。实际中通常采用非隔离型，因为其电路结构简单，采用元器件少，且能够满足安装体积以及稳定性等方面的要求。非隔离型双向DC-DC变换器主要有4种：双向Buck-Boost变换器、双向半桥变换器、双向Cuk变换器、双向Sepic变换器。它们的拓扑结构分别如下图1、图2、图3、图4所示。（注：其中图1和图2所示变换器是利用电感进行能量传输的，属于电感储能式变换器；图3和图4变换器是通过电容实现能量传输的，属于电容储能式变换器。）