分布式發電儲能系統寬增益雙向DC-DC變換器研究

劉禾雨，宗 斌，薛 軍，郭 濤

（國網江蘇省電力有限公司 檢修分公司，南京210000）

近年來隨著智能電網的迅速發展，高效開發并利用各種分布式能源已成為研究熱點。常見的分布式能源包括光伏發電、風電、燃料電池和地熱等[1]。分布式能源的配置區域通常臨近負荷側，其并入電網后既可以分擔發電廠的壓力，又可以省去輸變電的需求，高效經濟地實現綠色供電。盡管優勢明顯，但分布式能源在實際應用中的問題也很突出。其中最為顯著的就是輸出功率不穩定，易受外界因素的影響，具有較大的波動性[2]。因此，減小分布式能源并網后的功率波動，維護電力系統的可靠運行，長期以來一直是備受研究關注的熱點問題[3-4]。

1 分布式發電儲能系統介紹

近年來，為解決分布式能源并網應用中出現的問題，進行了很多相關領域的研究[5]。這些研究大致分為兩類：①從電網側出發，提出了許多類似于負荷預測的控制策略；②從分布式發電結構側出發，從硬件上使用了儲能系統，用于改善系統整體的供電可靠性，實現對功率波動的“削峰填谷”[6]。這就要求儲能系統能夠實現功率的雙向流動，同時具有較快的功率響應速度。

分布式發電儲能系統結構如圖1所示。分布式能源（如PV 光伏陣列、風機、燃料電池等），通過Boost 變換器連接到高壓直流母線上，蓄電池組通過雙向DC-DC 變換器與直流母線相連，最后直流母線經并網逆變器作用后實現并網，同時向本地負載供電[7]。蓄電池作為最常見的雙向能量源，其輸出電壓通常遠低于高壓直流母線。若通過串聯的方式提升輸出電壓容易影響供電可靠性，同時增加系統的體積成本。因此，需要能夠適應蓄電池輸出電壓范圍，具有寬增益特性的雙向DC-DC 變換器作為蓄電池組與高壓直流母線的功率接口，通過一定的SOC（能量管理）策略在實際工況下實現功率的雙向流動[8-9]。

圖1 分布式發電儲能系統結構框圖Fig.1 Structure block diagram of distributed generation energy storage system

傳統的Buck-Boost 雙向DC-DC 變換器，由于內部功率器件存在一定的寄生參數，影響了其增益范圍，使其在實際工況的應用中受到限制，而且功率器件容易工作在極端占空比狀態，降低了變換器的轉換效率[11]。因此，在儲能系統的應用研究中，雙向DC-DC 變換器的關注熱點在于如何獲得寬范圍的電壓增益[12-13]。故在此提出并設計了新型的寬增益雙向DC-DC 變換器，從理論原理上分析了變換器特性，最后通過仿真試驗驗證了所提變換器的可行性。

2 變換器原理分析

2.1 拓撲結構介紹

在此所提出的寬增益雙向DC-DC 變換器結構如圖2所示。

圖2 變換器拓撲結構Fig.2 Converter topology structure

圖中，Q1—Q4為有源功率開關，D1—D4分別為4 個功率開關內部各自的反并聯二極管；電容C1，C2和電感L 作為拓撲中的主要儲能元件，可有效提高電壓增益；Ulow為低壓側電壓；Uhigh為高壓側電壓；電容C3，C4分別為低壓接口、高壓接口的濾波電容。

2.2 變換器工作原理

2.2.1 升壓模式

根據主開關管Q1的通斷時間，可以確定變換器在升壓模式下的開關周期情況。在一個周期內，變換器的工作狀態可歸納為2 種，具體如圖3所示。

1）開關狀態1 其工作狀態如圖3a所示。Q1和Q3同時導通，Q2和Q4同時關斷；通過分析電流回路，輸入電源Uin通過Q1向L 充電。同時，C1通過Q1和Q3向C2充電；濾波電容C4向負載放電。

2）開關狀態2 其工作狀態如圖3b所示。Q2和Q4同時導通，Q1和Q3同時關斷；Uin與L 串聯，經Q2向C1充電。同時，Uin，L 與C2串聯，經Q4為C4充電，并將電能供給負載。

圖3 變換器升壓模式工作狀態Fig.3 Working state of converter in boost mode

2.2.2 降壓模式

參考升壓模式的分析方式，可以得到所提變換器在降壓模式下的工作狀態，具體如圖4所示。

圖4 變換器降壓模式工作狀態Fig.4 Working state of converter in buck mode

1）開關狀態1 其工作狀態如圖4a所示。Q2和Q4同時導通，Q1和Q3同時關斷；Uin通過Q4向L，C2和C3充電，同時向負載放電；C1經Q2向L 和C3組成的串聯支路放電。

2）開關狀態2 其工作狀態如圖4b所示。Q1和Q3同時導通，Q2和Q4同時關斷；C2經Q1和Q3向C1充電；L 將上一個狀態所儲存的電能經Q1供給負載，同時給C3充電。

2.3 升壓模式下電壓增益計算推導

假定功率開關Q1和Q3為主管，其導通時長為dT，則斷開時長為（1-d）T，將功率器件的寄生參數忽略不計，利用伏秒平衡原理，對電感L 與其他功率器件的電壓關系表述為

在各工作狀態下，其他電容的電壓關系為

結合公式（1）（2），可得高壓端口與低壓端口，即輸出電壓與輸入電壓的關系為

2.4 功率器件電壓應力分析

由升壓模式下變換器各工作狀態的電壓關系，可以算出拓撲中4 個功率開關Q1—Q4的電壓應力相同，均為輸出電壓的1/2，即

此外，可以推導出各個電容所承受的電壓應力同樣為輸出電壓的1/2，即

2.5 與傳統Buck-Boost 變換器的比較

在此所提變換器與傳統Buck-Boost 雙向變換器的比較情況見表1。由表可知，所提變換器相比傳統Buck-Boost 雙向變換器，在電壓增益方面實現了翻倍，同時維持功率器件的電壓應力不變，即為輸出電壓的1/2。所付出的代價僅是增加了2 個功率開關和電容，成本未明顯增加，具有較高的性價比。

表1 本文所提變換器與傳統Buck-Boost 雙向變換器的比較Tab.1 Comparison between proposed converter and traditional Buck-Boost bidirectional converter

3 整體設計方案

3.1 變換器控制策略

所提變換器控制策略原理如圖5所示。變換器整體基于電壓閉環控制，輔以能量管理（SOC，state of charge）算法，可以應對實際應用中的各種工況條件。PI 控制器將輸出電壓的設定值與測量值相減的結果進行誤差處理，在選通環節根據設定的SOC 策略，計算輸入功率與輸出功率差值，進而調整系統所需蓄電池的功率補償。最后，通過PWM 驅動信號發生器輸出開關信號控制功率開關的通斷，輸出接口即可得到目標電壓，構成一個完整的控制流程。

圖5 變換器控制原理Fig.5 Converter control schematic

3.2 變換器硬件選型

為驗證所提變換器在實踐中的可靠運行，設計了額定300 W 的原理樣機。輸入電壓使用0～100 V可調直流電源模擬蓄電池工作，DSP 控制器選型為TMS320F28335，4 個功率開關所選取的MOSFET 型號均為IRF640N，電感L=200 μH，電容C1=C2=47 μF，C3=22μF，C4=100μF。

試驗條件以升壓模式為基礎，具體試驗參數：開關頻率fs=20 kHz，輸入電壓范圍為Uin=40～80 V，輸出電壓穩定在Uo=300 V，負載電阻R=300 Ω，即額定功率為300 W。

4 試驗結果分析

以升壓模式下的工作狀態為例。試驗條件為Ulow=60 V，Uhigh=330 V，電感電流iL與功率開關Q1電壓應力波形如圖6所示。

圖6 電感電流與功率開關Q1 電壓應力的波形Fig.6 Waveform of inductance current and voltage stress of power switch Q1

由于功率開關數量較多，此處以Q1的電壓應力與電感電流iL作為展示波形。當Q1關斷，即其兩側電壓為0 時，電感L 處于充電狀態，因此通過L 的電流iL上升；當Q1開通，加在其兩端的電壓應力為輸出電壓的1/2，同時電感L 放電，通過L 的電流iL下降。這一試驗結果驗證了關于變換器應力分析的正確性。

在電壓閉環的控制作用下，輸出電壓保持穩定，可以允許輸入電壓有一個較寬的可變范圍。當輸入電壓Uin從80 V 降至40 V 時，變換器的動態波形如圖7所示。由圖可見，在輸入電壓逐漸降低的過程中，輸出電壓穩定維持在300 V 不變，其對應的電壓增益也從不到3.75 倍增加到7.5 倍。由此證明，如果將變換器應用在儲能系統中，所提變換器可以匹配大多數不同電壓的蓄電池作為輸入源，同時維持母線電壓穩定的作用。

圖7 輸入電壓降低過程中變換器的動態波形Fig.7 Dynamic waveform of converter during input voltage reduction

在Ulow=48 V，Uhigh=300 V，不同輸出功率下變換器的效率對比如圖8所示。圖中，2 條曲線分別為升壓和降壓模式下，變換器以100～300 W 的輸出功率Po，通過橫河Yokogawa T500 功率分析儀測量得到的試驗效率結果。

圖8 不同輸出功率下的變換器效率Fig.8 Converter efficiency under different output power

由測量結果可見，無論是升壓模式還是降壓模式，試驗效率均隨著輸出功率的提高而升高，即在Po=300 W 的情況下，升壓模式的最高效率為95.9%，降壓模式的最高效率96.5%。即使在Po=100 W 的情況下，變換器的最低效率也有91.6%。效率曲線所展現出的趨勢證明，變換器損耗并沒有隨著功率的升高而出現明顯的增大，因此變換器的固有損耗在總損耗中比例較高。

5 結語

所設計的具有寬增益特性的雙向DC-DC 變換器，接口于分布式發電儲能系統中蓄電池與高壓直流母線之間。控制策略包括了PI 電壓閉環控制和能量管理算法，從而變換器可以適應至少40～80 V 的蓄電池電壓范圍，同時將直流母線電壓精確地穩定在300 V，改善分布式能源功率波動性大的問題，實現對功率的“削峰填谷”。本文對于所提變換器的性能分析內容有限，涉及變換器的建模和損耗分析等工作尚待進一步完成[14]，后續研究將圍繞這一問題進行更加深刻的挖掘。