電池儲能系統的雙向DC/DC變換器控制策略研究

朱孟江，李良光，梁磊

(安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

傳統的對蓄電池進行充放電控制主要由兩個分開的單向變換電路，雙向全橋DC/DC變換器(BDC)的出現不僅解決了單向變換器制作成本、體積等問題，而且還在不改變兩側電壓極性的情況下實現能量的雙向流動，采用隔離式變換器在安全性能也有了提高，避免蓄電池組在電網或變換器故障時受到嚴重的干擾，在需要電池儲能系統的應用場合如不間斷電源(UPS)、電動汽車等中得到廣泛的應用。

如今，多數用電設備需電網提供高質量電能，解決連接電網和蓄電池之間的BDC控制策略具有重大意義。對BDC控制策略的研究熱點集中在移相控制[1-4]，文獻[5-6]都采用雙重移相控制方式，但他們的移相方式不一樣，文獻[5]采用同時調節全橋間的外移相角及電網側全橋內的內移相角，優化移相角控制算法減少雙重移相(DPS)控制下電路中的回流功率，文獻[6]采用同時控制兩全橋內的移相角，通過抑制尖峰傳輸電流在高頻變壓器中流動來降低變換器中的開關損耗和磁滯損耗，兩種雙重移相方式相對傳統的單移相(SPS)控制功率調節更靈活。本文在文獻[5]的基礎上，分析并簡化DPS控制，在抑制電路中回流功率的基礎上，分析雙移相角(D1、D2)的選取算法，實現雙有源端被控制量的穩定，并進行實驗驗證。

1 雙向全橋DC/DC變換器的工作原理

圖1為BDC典型的拓撲結構，圖1中T為高頻變壓器；L為主電感；C1、C2為兩側有源端的緩沖電容；及變壓器兩端共8個MOS組成的有源全橋。下面以功率由電網U1側傳輸到蓄電池UB側進行研究。

圖1 雙向全橋 DC/DC變換器

圖2為DPS控制下變換器工作波形。圖2中：U1和UB分別為變換器兩端電壓；uh1、uh2分別為電感兩端的逆變電壓；由于電路工作的對稱性，以半個開關周期進行研究，D1表示U1側全橋內對角開關管之間內移相角；D2表示兩個全橋之間對應開關管的外移相角，其中0≤D1≤D2≤1。

圖2 變換器的工作波形圖

由圖2可知，在BDC穩定工作過程中，(t1-t, 1)和(t4-t, 4)時間段內，由于電感電流iL與U1側逆變電壓uh1相位相反，導致儲存在電感中的能量返回電源側，因此，在保證輸出功率不變的情況下，必須增大輸入，稱在這段時間內電感產生的能量為回流功率，相對傳統的SPS控制增加了一個自由度，使高頻電流的控制更加靈活。

2 雙向全橋DC/DC變換器功率特性分析

由圖2可知，在一個開關周期內，變換器的工作過程可分為8種模式。在每個模式內電感電流iL都存在如下關系：

(1)

變換器正常工作時，由電感電流iL在一個開關周期內的對稱性有：

iL(t0)=-iL(t3)

(2)

本文以半個開關周期內電感電流表達式進行推導，聯合式(1)、式(2)計算可得DPS控制下前4種模式下的電感電流表達式。

iL=

(3)

式中k為電壓調節比，k=U1/nUB；f為電路的開關頻率，f=1/2Ths。忽略器件損耗，理想情況下，得到BDC的傳輸功率與回流功率表達式為：

(4)

(5)

為了分析簡便，把半個開關周期內變換器的傳輸功率與回流功率標幺化，取SPS控制下最大的傳輸功率PN作為基準值，有：

(6)

用PDPS、QDPS表示pDPS、qDPS在基準值PN下標幺值，為：

(7)

由公式(7)可以得到DPS控制下的傳輸功率的二維仿真圖(0≤D1≤D2≤1)，在D1=0時，公式(7)變為傳統SPS控制下的傳輸功率，兩種控制方式下的仿真圖如圖3所示。

圖3 單雙移相的傳輸功率曲線圖

由圖3可知，SPS、DPS控制方式下，傳輸功率隨移相角D2先增大后減小，在0≤D2≤0.5范圍內，它們的最大傳輸功率相等，但DPS控制比SPS控制多了一個內移相D1，傳輸功率的調節范圍變大，靈活性增強。

3 雙向全橋DC/DC變換器控制策略

3.1 內移相D1控制算法

為比較DPS與SPS控制中的回流功率問題，設兩種控制下的傳輸功率相等，即p=pSPS=pDPS，由公式(7)中pDPS表達式可得：

(8)

將公式(8)帶入公式(7)中的qDPS表達式得qDPS關于p的表達式：

(9)

以最小回流功率為目標，對(9)式以D1為自變量進行求導，有：

(10)

以0≤D1≤D2≤1條件，由式(7)到式(10)可以求出不同的k，p范圍內最小回流功率值對應的內移相角。圖4為最小回流功率在DPS、SPS控制下隨變量k，p變化的曲線圖。

圖4 最小回流功率曲線圖

由圖4知，DPS控制下的最小回流功率比SPS控制有著明顯的優勢，尤其在變換器處于輕載或電壓調制比較大的情況下，優勢更加明顯，帶最大負載時，兩種移相控制下的最小回流功率相等。因此，本文通過求取k，p的不同分布范圍內的最小回流功率對應的內移相D1來控制PWM脈寬調制。

3.2 BDC優化控制策略

為控制蓄電池側或電網端電壓、電流的穩定，對兩側有源端均采用雙閉環反饋控制，對蓄電池采用二階段充電法，充電模式的切換通過實時監測蓄電池的荷電狀態(SOC)，先SPS控制通過雙閉環反饋得到移相角D2，使輸出電壓達到給定值，然后采樣所需的電壓、電流通過D1控制算法計算其值并實時調節D2一同輸入到PWM脈寬調制器中產生八路驅動信號，在最優回流功率控制的前提下，實現傳輸功率大小和方向的控制。同理，在蓄電池系統對電網供電時，對直流母線電壓控制[7-9]。最終實現功率的雙向流動及雙向電壓、電流的穩定。其控制策略如圖5所示。

圖5 BDC控制策略

4 實驗驗證

為驗證移相控制算法用于電池儲能系統的雙向全橋DC/DC變換器中的有效性，用國外某公司生產的型號為TMS320F28335的DSP芯片作為主控制器搭建了小功率的實驗樣機，其他元件參數如表1所示。

表1 系統的主要參數

實驗樣機如圖6所示。

圖6 實驗樣機

圖7是在蓄電池充電狀態下，輸入電壓30 V，閉環條件下輸出8 V，在輸出功率相等的情況下，雙向全橋DC/DC變換器在DPS控制下原邊逆變側uh1輸出電壓及電感電流iL波形。

由圖7可以看出兩種移相控制下，原邊全橋逆變側輸出同頻的2電平和3電平的電壓，在不同的工作模式下，電感電流以不同的斜率線性變化。同時采用優化后的DPS，幾乎消除了iL和uh1對應相位相反的時間段，抑制了電路中的回流功率。

圖7 逆變電壓及電感電流實驗波形

圖8為在保證輸出功率不變的情況下，逐漸增大輸入電壓，單、雙移相控制下的功率因數變化曲線。DPS控制方式明顯優于SPS控制，且隨著輸入電壓U1的增大優勢更加明顯，驗證了前面的理論分析的正確性。

圖8 功率因數變化曲線

圖9為MOS管S4開通實驗波形，UGS表示開關管S4的驅動信號，IDS為開關管S4的工作電流。在t=t1時刻，MOS管S3關閉，電感電流iL<0，電流通過Ds1、Ds4二極管進行續流。因此采用優化之后的DPS幾乎消除了開關管S4開通時的緩沖損耗[10-11]。

圖9 MOS管S4實驗波形

5 結束語

提出一種基于DPS控制的電池儲能系統的雙向全橋DC/DC變換器，相比SPS控制加大了功率調節的靈活性，推導并簡化的移相控制算法有效抑制電路中回流功率的影響，且證明了移相控制利于軟開關的實現，提高了系統的傳輸效率，搭建的小功率實驗樣機，證明了所提出控制策略的正確性。