儲能系統中三相交錯式雙向DC-DC變流器的仿真研究

李恒，李芳，肖亮

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

儲能系統中三相交錯式雙向DC-DC變流器的仿真研究

李恒，李芳，肖亮

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

針對儲能系統中大功率變流器的直流電壓變換的需求，采用三相交錯式雙向DC-DC變流器拓撲結構，有效的彌補了傳統單相DC-DC變流器的不足，結合一種移相均流控制策略，能獲得較好的電壓、電流波形，減小了電池側輸出電流紋波量，并一定程度上保障了電池壽命。最后通過Matlab/SIMULINK平臺驗證了理論的正確性。

變流器；三相交錯；移相均流控制

1 引言

由于日益嚴峻的能源安全與環境問題，化學電池儲能系統已成為當前研究熱點。采用大容量電池儲能技術，可以有效緩解電能供需緊張、改善供電質量、提高電網安全和穩定性，并能促進可再生能源的利用和發展。而儲能變流器，在電網、分布式電源與儲能電池三個環節的能量流動中起著重要的平衡作用[1-2]。

在電池儲能系統中，一般當低壓側電池放電時，要求能提供穩定且要求達到一定電壓值的高壓側直流母線電壓；而當電網側通過整流向低壓側電池充電時，由于電池的充電特性，要求恒流或者恒壓充電，要求對充電電流或者電壓進行控制。因此，一個完整的儲能系統不僅需要整流逆變電路對交直流形式進行轉換，還需要一個雙向DC-DC變流器對直流進行變換，以達到對電池快速充放電以及不損害電池使用壽命的目的[3]。雙向DC-DC變流器一般采用傳統的單相Buck-Boost拓撲，抑制了變流器容量、效率以及輸出電能質量的提升空間。本文采用的是三相交錯式雙向DC-DC拓撲結構，接入直流母線的儲能電池采用雙向DC-DC變流器作為接口電路，實現能量的雙向流動；采用這種拓撲結構可以有效降低電感設計量的大小，減少電力電子功率器件電壓電流應力，并且在電感相同時，可以有效降低電池測電流紋波，進而減小電流紋波對電池的危害。

2 三相交錯式拓撲結構及原理

由圖1可以看出三相交錯式雙向DC-DC電路由3個結構相同的半橋式DC-DC單元并聯組成，其中VS1-VS6為6個功率半導體開關管，Vbus為直流母線電壓，Cdc為直流母線電容，Ld和Rd分別為電池側濾波電感和電池側電感寄生電阻，Rb為電池側濾波電容，Vbat和Rbat分別為電池組開路電壓和內阻。三個功率開關VS1、VS3、VS5的占空比相同，觸發時間相差120°。三個相位差為120°的電感電路互補，電流紋波極小。

圖1 三相交錯式DC-DC變流器

為了方便電路分析，三相交錯式變流器可以簡化為單相等效模式[4]，如下。

圖2 三相交錯式DC-DC變流器單相等效模型

當DC-DC電路作為降壓電路時，開關管Q1導通，Q2關閉，此時變流器等效電路如圖3所示。

圖3 DC-DC降壓電路

系統狀態方程如式(1)：

(1)

其中，xT=[iLVdcVb]，yT=[VHVL]

當DC-DC電路作為升壓變換電路時，開關管Q1關閉，Q2導通，此時變流器等效電路如圖4所示。

圖4 DC-DC升壓電路

此時的系統狀態方程如式(2)所示：

(2)

將式(1)與式(2)在開關周期內平均，求得系統狀態平均方程：

(3)

(4)

(5)

(6)

而描述DC-DC變流器在平衡點附近的小信號狀態方程如式(7)：

(7)

以上推導的狀態空間模型是針對的通用模型，低壓側VL為儲能電池時，模型可以進一步簡化。電池內阻Rb一般為10mΩ左右，內阻上的壓降與電池電壓相比可以忽略不計，同時電池還是個穩定的電壓源。而高壓側VH由較大的直流母線電容作為電壓支持，高壓側內阻RH可忽略不計。如果認為直流母線電壓VH保持恒定，圖2中的三階等效模型可以簡化為圖5所示的一階模型。

圖5 電池充放電一階模型

此時電感電流的狀態穩態值與以電感電流為控制目標的小信號傳遞函數為：

(8)

(9)

式(8)表明電感穩態電流僅僅與Rd、Rb、VH、VL以及占空比D相關。實際中，Rd和Rb都很小，因而IL對D非常敏感。

3 電池電流方向控制

圖6 占空比D與電感電流的關系

4 雙向DC-DC變流器控制策略

雙向DC-DC變流器各橋臂移相驅動時，通常是采取直接控制鋰電池側總電流的方式，然后直接通過PWM信號移相的方式來移相驅動。但實際中難以保證并聯模塊間的參數一致，如果無法保證并聯模塊間電流的均分，必將使得某些模塊的輸出電流較大，而另外一些輸出電流較小，甚至不輸出，這樣會導致分擔電流多的模塊開關器件的熱應力增大，系統的可靠性降低。而如果分別對各個模塊的輸出電流，正如對經過Ld1、Ld2、Ld3的電流分別控制，并對三相的載波進行移相，就可以實現均流。

圖7 DC-DC變流器移相均流控制框圖

圖7示為三相電流移相均流控制框圖，系統中分別采樣流經Ld1、Ld2和Ld3的電流，對三相電流進行閉環控制。其中，電池電壓Vb的前饋可有效消除電池充放電切換時的電壓波動對控制環的影響，載波移相實現了各橋臂錯相120°的移相控制，大大減少了總電流紋波量。

5 仿真驗證

為了驗證本文采用的電流拓撲和控制策略的正確性，利用Matlab/SIMULINK平臺搭建50kW的兩級式儲能系統模型。系統主要電路參數為：

(1)逆變側參數:額定功率P=50kW，電網線電壓U=380V,開關頻率f=5kHz，濾波電感L=3.2mH，濾波電容C=10uF,濾波阻尼電阻R=2Ω。

(2)直流側參數:直流母線打壓Udc=800V，母線電容C=3000μF,電池電壓Vb=400V，電池內阻Rb=0.1Ω,續流電感Ldi=5mH，電池濾波電Cb=4000μF，開關頻率f=3kHz。

仿真時長為0.3s，0.02s時合并網開關，0.1s時以100A電流對電池充電，0.2s時以-100A電流進行放電。下面分別為仿真波形及相關分析。

(1)圖8、圖9所示為電池以100A充放電時電網電壓和電流波形，此時逆變側工作在額定功率下。可以看出網側電壓、電流具有較好的正弦波，而在充放電切換時電壓電流幅值有所差異，這是由于實際控制的是電池充放電電流，系統中會存在各種有功損耗，從而會導致這種現象。

圖8 網側電壓波形

圖9 網側電流波形

圖10 直流母線電壓波形

圖11 電感電流與電池電路波形

圖12 電池電壓波形

(2)圖10所示為直流母線電壓波形，此時母線電壓在充放電切換時存在一定的波動，原因在于逆變側電壓外環動態響應緩慢，導致直流側的功率波動，充電時母線電壓跌落，放電時母線電壓抬升。

(3)圖11所示為電感電流與電池電流的對比波形，可以看出在移相均流控制策略的下，由于120°錯相消除效應，電池電流紋波相比電感電流紋波大幅度降低。

(4)圖12所示為電池電壓波形，可以看出在充放電切換時，電池電壓略有差異，波動幅值為20V，影響不大。

6 結論

三相交錯并聯控制方式與非交錯并聯的拓撲結構相比，次級的開關頻率大大減小，相應的開關損耗亦大大降低，極大地的提高了DC-DC變流器的工作效率。同時由于DC-DC變流器多重化結構，結合移相均流控制策略，可以實現能量的雙向流動，并有效降低開關管的電流應力和電池電流紋波。

[1] BP.Statistical Review of World Energy[Z].2012.

[2] 易永利，閆濤，惠東.基于PEBB 新型儲能變流器[J].現代電力，2009，26(4)：56-59.

[3] 楊娟.基于數字控制的雙向DC/DC 儲能變流器的研究[D].北京，華北電力大學，2011.

[4] Zhang J.Bidirectional DC-DC Power Converter Design Optimization,Modeling and Control[D].Virginia Polytechnic Institute and State University,2008.

[5] 王冕，李鐵明.應用于儲能系統的雙向DC_DC變換器研究[J].電工技術,2013,28(8):66-71.

Study on Bidirectional DC-DC Converters Applied to Energy Storage Systems

LIHeng,LIFang,XIAOLiang

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

Considering the requirement of DC voltage transformation of high power converter in energy storage system,three-phase interleaved bi-directional DC-DC converter topology is adopted in this paper,which overcomes the disadvantages of traditional Single phase DC-DC converter.In combination with phase-shifted current sharing control strategy,the waveforms of voltage and current can be performed better,and the current ripple of the output side of battery pack is decreased which can protect the battery pack.the validity of the theory is lastly verified in Matlab/Simulink environment.

converter；three-phase interleaved；phase-shifted current sharing control

1004-289X(2016)03-0053-04

TM46，TM61

B

2015-03-24

李恒(1988-)，男，碩士研究生 研究方向為電力電子變流技術與應用； 李芳(1989-)，女，碩士研究生，研究方向為新能源及直流為電網； 肖亮(1990-),男，碩士研究生，研究方向為新能源的電力電子變換。