面向蓄電池儲能的雙向AC-DC系統(tǒng)設計

楊玉崗，楊 威

(遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105)

面向蓄電池儲能的雙向AC-DC系統(tǒng)設計

楊玉崗，楊 威

(遼寧工程技術大學電氣與控制工程學院，遼寧葫蘆島125105)

研究了面向蓄電池儲能的雙向AC-DC裝置，給出了主電路的拓撲結構，該結構由AC-DC和DC-DC兩部分組成，且有相互獨立的控制環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了電網(wǎng)側與蓄電池側控制系統(tǒng)的完全解耦。在此基礎上分析其雙向變流原理，并給出系統(tǒng)在蓄電池充電模式和供電模式下的控制框圖。仿真與實驗結果表明，電網(wǎng)側電流正弦化及實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，在蓄電池供電時，系統(tǒng)輸出標準正弦電壓，且動態(tài)性能良好。

AC-DC；DC-DC；雙向變流；解耦

隨著電動汽車、不間斷電源、太陽能發(fā)電等行業(yè)的不斷發(fā)展，蓄電池的充電與供電已經(jīng)逐漸成為電力電子領域的研究熱點之一，而無論是蓄電池的充電還是供電，都圍繞著蓄電池與電網(wǎng)或負載之間的變流器進行研究，以實現(xiàn)能量的雙向流動。從電路的結構來看，傳統(tǒng)的變流器由分開的充電裝置和供電裝置來分別完成蓄電池的充電過程和供電過程，就單個電路環(huán)節(jié)而言管理起來簡單，但是對整體而言，增加了系統(tǒng)的模塊數(shù)量和控制難度，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)，且對電網(wǎng)的污染較大[1-2]。本文給出具有解耦特性的雙向AC-DC控制裝置，將蓄電池的充電和供電電路集于一體，通過軟件來控制運行方式。該裝置減少了模塊數(shù)量，實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流，提高了整體效率和動態(tài)性能，對電網(wǎng)而言也是一個“綠色”用戶，較傳統(tǒng)的變流器具有更大的優(yōu)越性。

1 雙向AC-DC拓撲結構分析

雙向AC-DC拓撲結構如圖1所示，系統(tǒng)主要由三個H橋H1、H2、H3，工頻電感，高頻電感，電容1、2、3，變壓器和蓄電池構成。圖中是直流母線電壓，是對進行正弦脈寬調(diào)制后產(chǎn)生的交流電壓，和是逆變器H2、H3產(chǎn)生的占空比為50%的方波電壓，是流進電感的電流，是蓄電池電壓，是蓄電池電流。該系統(tǒng)共有兩種工作模式：一種為蓄電池充電模式，、與電網(wǎng)相接，此時為電網(wǎng)電壓，為電網(wǎng)電流，能量從側傳到蓄電池側，給蓄電池充電；另一種為蓄電池供電模式，、與用電負載相接，此時為系統(tǒng)輸出電壓，為系統(tǒng)輸出電流，整個系統(tǒng)反向運行，能量從蓄電池側傳到側，供負載使用。當系統(tǒng)處在充電模式時，全橋H1工作在整流模式(AC-DC)，H2和H3工作在正向DC-DC模式，即將直流母線側高壓直流變成低壓直流給蓄電池充電，整個系統(tǒng)處在AC-DC-DC工作狀態(tài)。當系統(tǒng)處在蓄電池供電模式時，H2和H3工作在反向DC-DC模式，即將蓄電池側的低壓直流變成高壓直流，H1工作在逆變模式 (DC-AC)，整個系統(tǒng)處在DC-DC-AC工作狀態(tài)。

圖1 雙向AC-DC拓撲結構圖

2 工作原理分析

2.1 整流工作原理

當全橋H1工作在整流模式時，電網(wǎng)側AC-DC變流環(huán)節(jié)的等效電路圖如圖2所示。圖中分別為電網(wǎng)電壓電感電壓交流側電壓電網(wǎng)輸入電流的基波分量。

圖2 電網(wǎng)側等效電路圖

在穩(wěn)態(tài)條件下，忽略電網(wǎng)側電壓的諧波分量，有：

圖3 電網(wǎng)側能量流動向量圖

2.2 雙向DC-DC工作原理

在雙向DC-DC工作過程中，兩個全橋H2、H3的開關頻率相同，且占空比都是50%，二者都運行在普通逆變狀態(tài)。若忽略開關損耗，將電路折合到直流母線側，變壓器取T型等效電路，忽略勵磁回路的影響，得到的DC-DC等效電路如圖4所示。

圖4 雙向DC-DC等效電路

2.3 逆變工作原理

當全橋H1工作在SPWM逆變模式時，根據(jù)面積等效原理，將正弦波用等幅而不等寬方波來代替，如圖5所示。只要控制各脈沖的寬度，就可以對正弦波的幅值、相位和頻率進行控制[1]。

圖5 SPWM波等效正弦波

3 雙向AC-DC控制策略

根據(jù)上述的分析，當系統(tǒng)處在蓄電池充電模式時，L、N接入電網(wǎng)。H1工作在可控整流狀態(tài)，對直流母線電壓和電網(wǎng)輸入電流s進行控制。H2和H3工作在正向DC-DC變換狀態(tài)。根據(jù)蓄電池的充電特性，剛開始充電時為恒流源充電，對電池電流進行控制，當達到浮充狀態(tài)時變?yōu)楹銐涸闯潆姡瑢﹄姵仉妷哼M行控制。控制框圖如圖6所示。

圖6 蓄電池充電模式控制框圖

圖6中DC是直流母線參考電壓，S是電網(wǎng)輸入電流的參考值，B是電池電壓的參考值， B是電池電流的參考值。從圖中可以看出，整個充電控制過程由兩個獨立的閉環(huán)控制，分別為AC-DC閉環(huán)控制和DC-DC閉環(huán)控制，實現(xiàn)了充電解耦控制。在AC-DC整流控制過程中，以電網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)構成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，將直流母線電壓偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，乘以電網(wǎng)電壓相位，作為電網(wǎng)電流的參考值，電流偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，再加上電壓前饋來調(diào)節(jié)SPWM波。在控制過程中，由于電網(wǎng)輸入電流相位始終跟隨電網(wǎng)電壓相位，所以實現(xiàn)的是單位功率因數(shù)整流。在正向DC-DC控制過程中，當恒流源充電時，將電流偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)來控制PWM波，當恒壓源充電時，將電壓偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)來控制PWM波。

當系統(tǒng)處在蓄電池供電模式時，L、N接用電負載。H2和

H3工作在反向DC-DC變換狀態(tài)，對直流母線電壓和電池電流進行控制。H1工作在SPWM逆變狀態(tài)，對輸出電壓的有效值和相位進行控制。控制框圖如圖7所示。

圖中可以看出，整個供電控制過程同樣由兩個獨立的閉環(huán)控制，分別為DC-DC閉環(huán)控制和DC-AC閉環(huán)控制，實現(xiàn)了供電解耦控制。在反向DC-DC控制過程中，以電池電流內(nèi)環(huán)和直流母線電壓外環(huán)構成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，直流母線電壓產(chǎn)生偏差，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，輸出作為電池電流的參考值，電池電流的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，來控制PWM波。在DC-AC逆變控制過程中，以有效值外環(huán)和瞬時值內(nèi)環(huán)構成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，將有效值偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，乘以正弦相位來作為輸出電壓瞬時值的參考值，瞬時值的偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，來控制SPWM波。

4 仿真與實驗波形分析

4.1 仿真波形分析

為了驗證拓撲結構和控制系統(tǒng)的可行性，本文運用PSCAD軟件進行仿真模擬，模擬的相關參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

圖8 蓄電池充電模式仿真波形

圖8為蓄電池充電模式仿真波形。(a)表示H1處在整流過程中，電網(wǎng)側電壓與電流波形，從圖中可以看出，輸入電流按正弦規(guī)律變化，且與輸入電壓同相位，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，減少了對電網(wǎng)的污染。(b)表示在正向DC-DC工作模式時電壓的波形和流經(jīng)電感的電流波形，圖中超前一個相位，說明功率從直流母線側傳到蓄電池側，給蓄電池充電。(c)表示直流母線電壓400 V和蓄電池電壓24 V的波形，實現(xiàn)DC-DC變換。(d)表示由5 A的恒流源切換到24 V恒壓源的瞬態(tài)電池電壓電流波形，根據(jù)蓄電池的充電特性，實現(xiàn)了恒流源與恒壓源相互轉換。

圖9為蓄電池供電模式仿真波形。(a)表示全橋H1在逆變模式下，負載為20 Ω，輸出的電壓電流波形，圖中輸出為標準正弦電壓，實現(xiàn)了逆變過程。(b)表示在反向DC-DC工作模式時電壓、的波形和流經(jīng)電感的電流波形，從圖中可以看出超前一個相位，與充電模式的相位相反，實現(xiàn)了功率的反向傳輸。(c)表示為當負載從20 Ω降到10 Ω時的電壓電流波形，從圖中可以看出，系統(tǒng)動態(tài)性能良好且運行比較穩(wěn)定。

圖9 蓄電池供電模式仿真波形

4.2 實驗波形分析

為驗證理論分析與仿真波形的正確性，搭建了實驗樣機，主控制器選用TMS320F2812，開關管選用三菱公司的IPM，其它電氣參數(shù)見表1。

圖10所示為蓄電池充電模式下的實驗波形。(a)為充電時電網(wǎng)輸入的電壓電流波形，從圖中可以看出電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流同相位，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流，電網(wǎng)電流按正弦規(guī)律變化沒有畸變，使變換器對電網(wǎng)而言成為一“綠色”用戶。(b)為蓄電池充電模式下的、及流經(jīng)電感的電流波形，圖中相位超前于，功率從直流母線側傳到蓄電池側，這與式(3)的理論分析以及圖8(b)的仿真結果完全一致。(c)為恒壓源充電時直流母線電壓與蓄電池電壓波形，直流母線電壓400 V，蓄電池電壓24 V，實現(xiàn)了正向DC-DC變換。(d)表示恒流源充電時的電池電壓電流波形，圖中以5 A的恒定電流給蓄電池充電，蓄電池電壓為30 V，隨著時間的推進電池電壓逐漸升高，當達到浮充狀態(tài)以后，系統(tǒng)變?yōu)楹銐涸唇o蓄電池充電。

圖11所示為蓄電池供電模式下的實驗波形。(a)為直流母

圖11 蓄電池供電模式實驗波形

根據(jù)以上的仿真與實驗結果表明，理論分析正確，裝置運行可靠，且動態(tài)性能良好，實現(xiàn)雙向AC-DC變換功能。

5 結論

本文給出了基于蓄電池儲能的雙向AC-DC裝置，它是通過控制各電壓源之間的幅值和相角來改變功率的大小和方向，并運用AC-DC與DC-DC相互獨立的控制方式，實現(xiàn)電網(wǎng)側和蓄電池側變流環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)完全解耦。仿真與實驗結果表明該雙向AC-DC裝置可實現(xiàn)單位功率因數(shù)整流、電網(wǎng)側電流正弦化，減少對電網(wǎng)的污染。在蓄電池供電時，可以為負載提供高質(zhì)量的電能，且具有良好的動態(tài)性能，較以往的蓄電池充電和供電裝置，具有更高的可靠性和推廣價值。

[1]BHARGAVA B,DISHAW G．Application of an energy source power system stabilizer on the 10 MW battery energy storage system at Chino substation[J].IEEE Trans on Power Systems,1998,13(1): 145-151.

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[3]黃俊，王兆安.電力電子技術[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2003：150-168.

[4]趙彪，于慶廣，王立雯，等.具有饋電功能的新型并網(wǎng)UPS系統(tǒng)及其分散邏輯控制策略[J].中國電機工程學報，2011,31(31):85-94.

Design of bidirectional AC-DC system for battery energy storage

The bidirectional AC-DC equipment was designed for the battery energy storage,the topological structure of the main circuit was given.Independent control links were owned by the topological structure.The control system was completely realized decoupling between power grid side and battery side.The principle for bidirectional converter was analyzed.The system control diagram base on the battery charging mode and supply mode was given.The simulation and experiment results show that Current sine and Unit power factor on power grid side are achieved, when the battery supply,standard sine voltage is output，dynamic performance is well of the system.

AC-DC;DC-DC;bidirectional converter;decoupling

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2215-03

2015-03-29

國家自然科學基金項目(51177067)；教育部留學回國人員科研啟動基金項目 (2009-1341)；遼寧省自然科學基金項目(20102092)

楊玉崗(1967—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子技術及高頻磁集成技術。