近年来，基于电池或超级电容的储能系统随着电力电子技术的发展得到了越来越多的关注，在智能电网、电动汽车、轨道交通等领域得到了广泛应用。储能系统中双向DC-DC变换器（Bidirectional DC-DC Converter, BDC）是实现储能单元与直流母线间能量交换的核心设备，影响着储能系统的性能。所以，BDC的设计与控制技术已经成为了储能系统关键技术的研究热点之一。

BDC可以分为隔离型与非隔离型两大类。变压器的存在使得隔离型BDC安全性较高，但体积庞大，效率较低，在大功率储能系统中应用较少。而非隔离型BDC具有结构简单，控制方便，成本低等优点，更适用于大功率储能系统。

目前常见的非隔离型BDC主要有半桥型拓扑、交错并联型拓扑、多电平拓扑以及级联模块化拓扑等。半桥型拓扑结构及控制较为简单，但系统所需无源滤波器件体积较大，且开关器件的电压及电流应力较高。交错并联拓扑可有效降低开关器件的电流应力，但器件的电压应力仍较大。

有学者提出了一种三电平BDC，克服了传统半桥型BDC的缺陷，但在大功率场合仍需要较大的滤波器件。级联型变换器具有结构简单灵活、易于拓展、控制方便等优点，近年来受到了广泛关注。M.M.Daniel等首次提出了一种适用于储能系统的级联型双向DC-DC变换器（Modular Multilevel DC-DC Converter, MMDDC）。

相较于传统拓扑，MMDDC在中高压大功率储能系统中具有明显的优势：①模块化串联的拓扑结构可以使低压开关器件应用于中、高压系统；②能够在不改变开关频率的前提下提升系统电流的脉动频率，从而降低系统滤波元件的体积；③具备动态能量控制功能，避免外部均衡电路的使用，简化系统结构。

在此基础上，武伟等对该拓扑的能量管理和电压均衡策略进行了研究。有学者分别对该变换器的开路故障检测方法和均衡控制策略进行了研究，进一步推动该变换器在储能系统中的实际应用。

但是，通过前期研究发现MMDDC也存在一定的不足之处：①该变换器以升压的形式进行能量存储，储能侧的电压等级较高，且模组数量较多；②子模组占空比在0.5~1之间，工作范围较小；③当母线电压受负载波动瞬时升高时，子模组上桥臂反并联二极管会提供电流导通路径，易使系统过电流运行，严重威胁系统的安全。

为了解决MMDDC的过电流问题，有学者提出了一种改进型模块化多电平变换器，通过在变换器前端增加开关器件和续流二极管，并配以峰值电流控制，来实现对系统电流的严格控制。但该方案中增加的开关器件需要承受较大的电压及电流应力。

为了解决传统模块化多电平变换器应用于储能系统中存在的问题，江南大学物联网工程学院的研究人员刘乐、毕恺韬、朱一昕、樊启高、颜文旭，在2022年《电工技术学报》增刊1上撰文，提出一种新型阻抗源模块化双向功率变换器。


他们将双向准Z源引入MMDDC中，提出一种新拓扑。阻抗源的引入改变了MMDDC的能量传输模式，相比于MMDDC，该变换器的优点包括：①半桥子模组的输入电压可控，从而解决了系统过电流问题；②双向准Z源的升压功能可减少子模组的数量，简化系统结构；③阻抗源的直通模式不仅有助于提升系统可靠性，同时也能够提高子模组占空比工作范围；④双向准Z源使得储能侧电流连续，有助于提高储能设备的寿命。


研究人员表示，阻抗源的直通升压特性使得基于双向准Z源的子模组具备多种工作模式，不仅可实现半桥子模组的输入电压控制，解决传统MMDDC存在的充电模式下易过电流的问题，同时对于相同电压等级的储能系统，可有效减少子模组的数量，进一步简化级联系统的结构，提升系统可靠性。

他们详细分析了变换器的子模组工作原理、调制方法，并设计了系统控制策略，通过搭建的储能系统物理实验平台进行了有效验证。理论分析及实验结果表明所提变换器相较于传统模块化多电平变换器，更适用于储能系统应用。

本文编自2022年《电工技术学报》增刊1，论文标题为“适用于储能系统的准Z源模块化多电平双向DC-DC变换器的设计与控制”。

原标题：江南大学学者提出用于储能系统的新型阻抗源模块化双向功率变换器