基于變環寬控制的三相雙向DC/DC變換器研究

宋 麗，趙興勇

(山西大學 工程學院 電力工程系，山西 太原 0 30013)

基于變環寬控制的三相雙向DC/DC變換器研究

宋 麗，趙興勇

(山西大學 工程學院 電力工程系，山西 太原 0 30013)

為了實現儲能變流器控制精度高、響應速度快的要求，將模擬電路作為主控制系統硬件電路。控制方式選用了跟蹤速度快、易實現的滯環控制，并且針對傳統滯環控制存在開關頻率不穩定的缺點，采用了變環寬控制的方式。此外主電路采用了三相雙向DC/DC變換器結構，提高了整個系統的開關頻率，減小了總輸出電流的脈動幅值。

變流器;雙向DC/DC變換;變環寬控制;開關頻率

0 引言

由于在電池儲能系統中，儲能變流器不僅需要將電網側的交流電進行AC/DC轉換，還需要高性能的雙向DC/DC變換器對電池側的直流電進行變換，使得能量可以雙向流動，從而達到一定的節能效果［1～4］。本文主要就是針對雙向DC/DC變換器的設計。

本設計中DC/DC變換器的主要控制部分由模擬系統實現，采用經典的PI控制與滯環控制相結合。滯環控制是一種簡單有效的跟蹤控制方式，它具有實時控制、電流響應快、對負載的適應能力強、有內在的限流能力等明顯優勢，但也存在輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量、電流脈動大等缺點。此外，滯環控制的環寬對控制的性能有較大的影響。環寬過寬時，開關動作頻率低，但跟蹤誤差增大;環寬過窄時，跟蹤誤差減小，但是開關頻率過高，甚至會超過開關器件允許頻率范圍，開關損耗隨之增大［5，6］。因此，本文采用了可變環寬控制的方式。

1 三相雙向DC/DC變換器介紹

DC/DC變換器的拓撲結構有很多種，通過對比分析，考慮實現能量的雙向流動，且系統綜合效率較高的因素，本文采用非隔離式的雙向半橋電路拓撲［7～9］，此外設計中還考慮使用了多重化技術，將移相為120°的3個模塊并聯，即三相升/降壓結構，達到減小電流波動的目的。如圖1所示，本設計中的變換器電力電子接口采用的是先進的混合集成功率器件IPM模塊，模塊內部集成了6個IGBT及相應的短路和驅動電壓欠壓保護電路。當系統電路工作在降壓狀態時，S1，S3，S5依次導通;當電路工作在升壓狀態時，S2，S4，S6依次導通。

圖1 DC/DC電路拓撲

2 基于變環寬控制的雙向DC/DC控制原理

目前鋰電池最常用的充電方法:首先以恒定電流充電，當電壓達到預定值時，進行恒壓充電，這時電流會逐漸減小;當充電電流下降到零時，電池完全充滿。放電時采用恒壓放電的方式。這也就要求DC/DC變換器能夠對電池進行恒流恒壓充放電，所以需要控制的是電池側的電流與電壓， 其基本控制方式如圖2所示。

圖2 DC/DC控制框圖

這是一個閉環控制系統，可以進行電壓模式與電流模式控制［10］，兩種模式的切換通過框圖中的模擬開關來實現。對于電壓模式，控制采用電壓電流雙環，電壓環作為控制外環，電流環作為控制內環。電池側電壓值與給定電壓值的誤差進入PI調節器后，輸出的結果作為電流內環的給定值，再與采樣電流值進行滯環比較，輸出PWM波，控制開關器件的導通，最終實現恒壓的目的。對于電流模式，由一個電流控制環實現，此時模擬開關的使能端選通電流給定輸出端，通過電池側電感電流采樣值與電流給定值進行滯環比較，對各開關器件進行控制，將實際電流跟蹤給定值，實現恒流的目的。圖3為滯環控制的基本原理圖。

圖3 滯環控制基本原理圖

電壓電流的給定值都由上位機控制，可以通過改變給定值的正負來改變能量的流動方向。若規定電池在充電時，電壓給定值為正值，電流的方向為正方向，則電池放電時，電壓給定值變為負值，此時電流的方向為負方向。

由于本次設計采用的是變環寬的控制方法［11］，下面將對環寬值的計算進行推導。如圖1所示，Vdc是直流母線側電壓，Vbat是直流電池側電壓，iL是電感電流。H表示滯環寬度。下面公式的推導可參看圖3。

此時電流變化率ΔiL=2H/t1代入上式則有2HL/t1=Vdc－Vbat

由公式 (4)可知，由于母線電壓Vdc與濾波電感L是固定的，Vbat是變化的，所以當采取固定環寬H時，開關頻率fs是隨著電池電壓Vbat變化的。如果環寬H可以動態調整，就可以實現開關頻率fs保持不變。為此，可對公式 (4)進行變換，得

公式 (5)即為可變滯環寬度的計算公式，只需實時采樣輸出電壓Vbat的值，通過模擬電路運算，實時調整滯環寬度H即可實現開關頻率的穩定。

3 變環寬的電路設計

前面已經提到本次設計的硬件電路是采用模擬電路實現的，所以設計好滯環部分的計算電路顯得尤為重要，圖4所示的是變環寬控制電路的框圖。根據滯環控制的原理可知，滯環的上下限是由基準值加減滯環寬度得到的，其中基準值是由前面的PI調節器的輸出結果經過限幅穩壓電路得到，設計電路如圖5所示;而可變的滯環寬度是由電池側的反饋電壓值與+5 V的電壓經過乘法運算后得到，設計電路如圖6所示;基準值與環寬值通過加法、減法電路計算得出最終的滯環上下限，設計電路如圖7所示。將電池側電感電流的采樣值與滯環上下限值相比就會得到相應的高低電平信號，從而驅動IGBT的導通。

圖4 變環寬控制電路框圖

圖5 基準值產生電路

4 實驗結果

為了驗證定環寬與變環寬的控制效果，對兩種控制進行了降壓模式下的實驗對比。取直流母線側的電壓為600 V，低壓側依次從100 V取至500 V。

圖6 變環寬值計算電路

圖7 滯環上下限計算電路

為方便對比，取一個實驗標準值，即當DC/DC變換電路從600 V降至300 V時，變環寬值為H=0.078 V，定環寬控制也取環寬值為H=0.078 V，此時兩種控制頻率一致為20 kHz。在不同的實驗電壓下，將記錄的實驗結果列表如表1所示。

表1 定環寬與變環寬控制對比

由實驗結果可看出，變環寬控制在不同實驗電壓下，能夠較好地保持開關頻率的穩定，而定環寬控制頻率變化比較大，顯然變環寬控制更具優勢。圖8中顯示了定環寬控制在不同電壓下的頻率變化。

圖8 定環寬控制在不同電壓下開關頻率

由于三相結構雙向DC/DC變換器主電路由3個半橋單元電路并聯而成，3個單管交替工作，在不增加單管開關頻率的前提下，總輸出電流為3個單元電路輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。而3個單元電流的脈動幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動幅值變得很小。圖9所示的是三相結構的電路中，降壓狀態下的開關管驅動波形，以及輸出電流波形。

為了考驗本次設計的變換器在一些突變情況下的穩定性能，還進行了動態響應實驗，圖10是在降壓狀態下，母線側電壓Udc發生變化時，電池測的電流Ibat的變化情況，可以看出電流變化的響應時間是在3 ms左右，速度較快。

圖9 三相結構的電路三個管子依次導通的PWM波及總電流波形

圖10 動態響應實驗

5 結論

通過實驗驗證，本設計采用變環寬控制的三相雙向DC/DC變換器具有良好的控制效果，可以在不同的電壓下較好地保持開關頻率的穩定，且動態響應速度較快。同時這種三相結構的DC/DC變換器主電路，提高了整個系統的開關頻率，減小了總的輸出電流脈動幅值。

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Study on Three-Phase Bidirectional DC/DC Converter Based on Variable Hysteresis-Band Control

Song Li，Zhao Xingyong

(Department of Electric Engineering，Engineering College of Shanxi University，Taiyuan 030013，China)

In order to realize the energy storage converter's requirements for high control precision and fast response，this paper adopts analog circuit as the hardware circuit of the main control system．The hysteresis control method is selected which has many advantages，such as high tracking speed and easy to realize．For traditional hysteresis control method has the disadvantage of uncertain switching frequency，the variable hysteresis-band control method has been used．This paper also employs three-phase bi-directional DC/DC converter main circuit to improve the switching frequency of the whole system and reduces the ripple amplitude of the total output current．

converter;bi-directional DC/DC convert;variable hysteresis-band control;switching frequency

TM46

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.005

2013－12－01。

宋麗 (1982-)，女，助教，研究方向為儲能變流器，E-mail:songli0212@163．com。