基于雙向DC/DC變換器的直流電網穩定性分析

付文秀，曹建萍，張學瑾

（上海船舶設備研究所，上海200031）

0 引言

新能源化和電力清潔化已成為當今能源消費的潮流，新能源和清潔能源正在席卷能源消費的各個領域。當然，作為現代社會重要的交通工具，船舶也成為新能源化對象。現代船舶特別是遠洋船舶因功率大等原因，傳統的化石燃料使得船舶的污染非常嚴重。資料顯示，傳統柴油機船舶在行駛過程中造成的大氣污染及水污染十分驚人，一噸柴油燃燒后產生的二氧化碳、一氧化碳和碳氫化合物的量都非常大。出于環境保護等原因，船舶新能源化勢在必行。如今，新能源化的觸角已觸及遠洋船舶清潔能源化和內河航運船舶電動化等[1-4]。新能源船舶均采用直流組網形式，包括鋰電池純電動船以及混合動力船舶等，這些新能源在使用過程中，由于其供電不穩定，必須在系統中加入大的儲能單元來調節能量供應，保證系統能量持續與平穩，然而隨著大量電力電子元器件的應用，需要解決的技術風險之一即是直流組網系統的穩定性。當今船舶電力系統穩定性的研究主要針對交流系統，針對直流組網系統穩定控制拓撲的研究相對較少，對影響直流組網電壓穩定的因素只有定性的分析[5-6]。雙向DC/DC變頻器作為連接蓄電池和直流母排的橋梁，除了具備對電池組充放電控制功能外，還需對直流母線電壓的穩定性進行控制，是直流組網系統的關鍵性技術之一。

本文基于雙向DC/DC變換器控制技術，對含有鋰電池的新能源船舶的直流組網系統穩定性進行分析，對DC/DC變換器的拓撲結構進行比對，結合蓄電池充放電控制，對三相交錯式并聯雙向DC/DC控制策略及電路參數進行了選擇和設計，結合某實船系統，對直流組網系統發生功率突升或突卸的情況，以及故障穿越進行分析，結果表明，基于該DC/DC控制策略，能夠有效解決新能源船舶直流組網系統的電能品質和穩定性問題。

1 DC/DC變換器拓撲分析

目前常用的拓撲有4種，分別為雙向T型Buck-Boost變換器、雙向Buck-Boost變換器、雙向Cuk變換器和雙向Sepic-Zeta變換器。這類拓撲的優點是可靠性高、成本低、結構簡單、效率高，缺點是電壓變比不能過大，電池儲能系統和電網之間沒有電氣隔離，對蓄電池的安全運行造成不利影響[7-10]。

三相交錯并聯雙向DC/DC變換器拓撲結構如圖1所示。采用此種拓撲結構，能夠提升變換器容量，更加適用于大功率場合，能夠使各個器件承受的電流應力減小，等效地提升系統的開關頻率，在相同電流紋波系數的要求下，電感的設計量減小，所需電感的總重量大為減輕[11-13]。

圖1 三相交錯并聯雙向DC/DC變換器拓撲結構

2 DC/DC變換器控制策略及參數設計

在實際運行工作中，蓄電池與電網之間通過變換器裝置交換能量，變換器裝置的控制方式和策略對于蓄電池的性能和壽命有著至關重要的影響。變換器不僅要具有傳統的穩定充放電功能，還需要滿足蓄電池電壓的寬范圍運行、快速充放電響應以及直流網側電壓穩定性等要求。

2.1 參數設計

圖1所示的拓撲結構中，S1～S6為IGBT開關管，V1～V6為續流二極管，L1～L3為直流濾波器，用于濾除電池側紋波，Udc為直流網側電壓，Cdc為直流母線側電容，主要作用是在Boost模式下開關管導通時進行供電，直接決定了直流電壓的紋波。對雙向DC/DC變換器主電路參數的選型設計主要是電容Cdc和濾波電感L。考慮到雙向DC/DC變換器的Boost和Buck兩個方向工作特性，電感L取值應滿足下式

2.2 控制策略設計

雙向DC/DC變換器的控制結構如圖2所示，在雙向供電模式即Boost和Buck模式下，均考慮直流網側電壓的穩定性控制，Uref為電壓環給定，即直流母線網側電壓給定值，通過電壓外環采樣，PID閉環控制，用于實現直流母線電壓的穩定控制。考慮直流母線電壓紋波，本文設計的電壓環濾波器用于消除紋波帶來的影響，通過電壓環控制器后得到三相電感的給定值，與三相電感電流平均值進行比較后，進行PID調節以及電壓修正，通過基于載波的脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）轉換器生成控制脈沖。

圖2 雙向DC/DC 變換器控制結構

3 穩定性仿真分析

3.1 系統結構

以某實船直流組網供電系統為例，其系統組成如圖3所示，該直流組網系統由2套鋰電池組供電，驅動2套直流負載。每套電池組容量為226.8 kW·h，電壓為837 V，直流母線電壓為DC 1 000 V，為滿足系統穩定性需求，各個變頻模塊均需對直流網側電壓進行控制，本案例基于DC/DC雙向變換器對電壓側穩定性進行分析。

3.2 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺上搭建了基于第3節本文所述控制策略和參數設計方法的直流組網系統的仿真模型，系統參數如下所示：雙向DC/DC變換器直流側電容Cdc取值為4 800 uf；濾波電感L取值為1.6 mH；電壓環PID參數為Kp_V＝0.4，Ki_V＝2；電流環PID參數為Kp_IB＝0.1，Ki_IB＝0.5；直流網側電壓1 000 V；直流負載1容量200 kW，通過DC/AC逆變器并網；直流側負載2為直流線性負載，功率為135 kW；雙向DC/DC變換器開關頻率為5 kHz；欠壓保護設置值為461 V。

仿真設置1：1）仿真初期，2蓄電池組在網，空載運行，在0.2 s突加直流負載2，0.26 s突卸直流負載2，0.32 s突加直流負載2，0.38 s突卸直流負載2；2）在0.5 s投入直流負載1，0.6 s母排短路，短路后1 ms切除故障母線，故障母線所帶直流負載1和電池組2同時切除。

仿真設置2：蓄電池組1在網，帶載，100 kW，0.4 s電池組由放電模式轉為充電模式，充電功率100 kW

仿真結果及分析如圖4所示。

圖3 某船直流組網系統結構圖

圖4 仿真設置1直流母線電壓仿真波形

圖5 仿真設置1電池組1雙向DC/DC 變換器直流網側電流波形

圖6 仿真設置2直流母線電壓仿真波形

圖7 仿真設置2電池組1雙向DC/DC變換器直流網側電流波形

圖4和圖5為仿真設置1（突加突卸負載和故障恢復）情況下，直流母線的仿真波形，圖6和圖7為放電模式轉為充電模式情況下，直流母線的仿真波形。由圖6和圖7可見：突加突卸負載時，直流母線電壓波動較小，最大值約為（1 000－950）/1 000＝5%，且能夠在較短時間（約0.03 s）內恢復到額定電壓偏差±3%以內，未引起直流母線電能品質劇烈變化，且動態響應快；在直流母線短路故障時，在1 ms時間時切除故障母線的情況下，直流母線電壓跌落到784.5 V，未達到DC/DC變換器的欠壓保護值，DC/DC變換器不會閉鎖停機，且一般直流母線保護裝置動作時間均在微秒級，直流母線電壓跌落會更小，故障切除時非故障側直流母線貢獻的短路電流也會更小，DC/DC變換器模塊保護裝置不會動作。由圖6和圖7可見，蓄電池組從放電模式轉為充電模式時，電壓波動和電流波動均在規定范圍內，動態響應時間在0.03 s以內，均可滿足相應規范的要求。

4 結論

本文基于雙向DC/DC變換器和雙閉環控制策略和參數設計，對含有動力電池組的直流組網系統穩定性進行分析，涵蓋負載頻繁突加突卸，及故障恢復和充放電轉換的暫態特性。結果表明，設計的三相交錯式DC/DC變換器控制策略能夠有效的實現直流網側母線電壓的穩定控制及充放電模式轉換，通過仿真驗證了所提策略以及穩定性的有效性，可滿足直流組網系統規范要求，具有一定實用價值。