大功率DC-DC變換器的設計

李 峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 設計背景

風能、太陽能、潮汐能等可再生能源被認為是未來電能的有效來源,在世界范圍內已被大量使用。為解決可再生能源發電的間歇性和多變性問題,需要配備儲能系統,通過儲能系統減小可再生能源發電對電網產生的沖擊和影響,保證電網運行的穩定性[1-2]。另一方面,由于新能源汽車的快速發展,大量汽車動力電池退役,退役電池作為儲能電池被二次利用。退役電池儲能系統和液流電池儲能系統作為化學儲能系統,被逐步應用于風電、光伏發電和配電系統。液流電池儲能系統由于電壓低,需要配備DC-DC變換器,對電池進行升壓,再傳送至儲能變流器。退役電池儲能系統從電池安全性、一致性角度考慮,減少電池的串聯數量,導致退役電池儲能系統的電壓相比新電池系統明顯偏低,同樣需要配備DC-DC變換器,對電池進行升壓,再傳送至儲能變流器。

目前,國家鼓勵可再生能源發電系統配備儲能系統。在行業內,一般按照發電系統裝機容量的20%～30%配備儲能系統。以此估算,液流電池儲能系統用于可再生能源發電系統,所配備的容量至少為兆瓦時級,輸出功率一般在500 kW以上。單個退役電池儲能系統的裝機容量也為兆瓦時級,輸出功率一般在250 kW以上。對于如此高的輸出功率,目前行業內由于缺少大功率DC-DC變換器,通常采用小功率DC-DC變換器多機并聯應對。但是,儲能系統達到兆瓦級輸出功率時,DC-DC變換器多機并聯的方案存在成本高、穩定性差、效率低等缺點,無法滿足應用要求[3]。由此可見,設計低壓大功率DC-DC變換器具有重要意義。

2 拓撲結構

筆者針對液流電池儲能系統設計DC-DC變換器。液流電池輸出電流大,儲能容量大,支持過充、過放,且不會損壞電池。液流電池單元額定功率為250 kW,直流額定電壓為200 V,額定輸出電流為1 250 A,基于以上參數,對DC-DC變換器進行設計。

在儲能系統中,DC-DC變換器工作時有兩種模式,分別為升壓模式和降壓模式[4]。當DC-DC變換器工作于升壓模式時,DC-DC變換器為高壓側直流母線端提供能量,在維持直流母線電壓相對穩定的同時,為高壓側輸送能量。當DC-DC變換器工作于降壓模式時,直流母線側能量回饋給電池側,為電池充電,從而實現能量雙向流動。基于以上兩種模式,筆者采用降壓-升壓電路拓撲結構設計DC-DC變換器。

設計DC-DC變換器的拓撲結構,需要考慮以下六方面:① 不同輸出功率狀態下電流紋波需要滿足要求,避免過大,不對電池壽命和性能產生影響[5-6];② 在全功率段范圍內,控制精度需要滿足要求;③ 可靠性要求;④ 采用模塊化設計,滿足不同功率段的要求[7];⑤ 保證散熱良好;⑥ 成本可控,效率高,穩定性強。基于以上六方面,采取六路降壓-升壓電路交錯并聯,可以減小濾波電感的感值和體積,支路電感參數保持一致,并能夠有效減小電流紋波和濾波電容容量[8]。考慮模塊化設計,滿足不同功率段的要求,DC-DC變換器內部設有兩個DC-DC功率模塊單元,每個功率模塊單元內三路降壓-升壓電路交錯并聯。所設計的DC-DC變換器拓撲結構如圖1所示。

圖1 DC-DC變換器拓撲結構

額定輸出電流為1 250 A,相當于每個支路電感分配約210 A電流,考慮電感紋波和運行裕量,選用FF600R12ME4型開關管,配套2SP0115T2A0-12型驅動模塊。在DC-DC變換器的高壓側和低壓側分別安裝預充電回路,抑制電池或儲能變流器接入DC-DC變換器瞬時引起的過流[9]。

電池側直流額定電壓為200 V,額定電流為1 250 A,高壓直流側額定電壓為700 V,額定電流為357 A,開關頻率為5 kHz,電池側電壓紋波為5%,電感電流紋波按30%計算,得到每條支路電感為0.5 mH。

DC-DC變換器采用單個控制器,數字信號處理器芯片為主控微控制單元,主要負責電池充放電控制、輸出直流電壓下垂控制、并聯均衡控制等。采用TMS320F28335型數字信號處理器,具備150 MHz浮點中央處理器。選用MAX7000A系列復雜可編程邏輯器件芯片,主要負責DC-DC變換器的驅動保護、硬件保護、軟件保護、驅動信號生成等,以滿足各種保護功能快速性的要求。選用AD7606型外接模數轉換芯片,可以同步采集多路電流、電壓信號,主要負責六條支路電感電流和電壓的采樣。中央處理器輸出驅動信號,經復雜可編程邏輯器件芯片生成六對驅動信號,分別驅動六個絕緣柵雙極晶體管模塊。

3 多機并聯控制策略

目前,國內可再生能源發電系統一般按照總裝機量的20%～30%配備儲能系統。單臺集中式光伏逆變器的功率為3 MW～4 MW,需要配備輸出功率為600 kW～1.2 MW的液流電池儲能系統,而單臺DC-DC變換器的輸出功率很難達到600 kW及以上,因此需要多臺DC-DC變換器并聯實現。

擴容并聯時,需要實現并聯均衡控制,不僅要保證DC-DC變換器之間的功率均衡[10],而且要保證液流電池之間的充放電均衡。為完成DC-DC變換器擴容并聯,設置下垂曲線,采用下垂控制技術,實現DC-DC變換器的并聯控制。在對多臺DC-DC變換器進行控制時,下垂曲線的設置決定了DC-DC變換器運行功率的分配。若為多臺DC-DC變換器設置同樣的下垂曲線,則可實現功率均分。若要實現任意功率分配,則可設置不同斜率的下垂曲線。

筆者設置DC-DC變換器的輸出功率與高壓側直流母線電壓滿足下垂曲線特性,下垂曲線如圖2所示。

圖2 下垂曲線

定義DC-DC變換器由電池發出功率為正,即放電為正,充電為負。設置直流側輸出電壓為550～650 V,系統額定功率為250 kW,斜率絕對值的最大值為0.000 2,則下垂曲線斜率范圍為[-0.000 2,0]。在實際運行中,需要留有裕量,設計電壓范圍為575～625 V,計算得到斜率為0.000 1,則下垂曲線的表達式為:

U=600-0.000 1P

(1)

式中:P為檢測得到的DC-DC變換器輸出功率;U為計算得到的高壓側直流母線電壓參考值。

DC-DC變換器算法控制框圖如圖3所示。檢測得到的DC-DC變換器輸出功率P進入下垂曲線,通過計算得到高壓側直流母線電壓參考值U,并與檢測得到的直流電壓Udc做差,進入比例積分(PI)調節器,得到電流參考值iref。電流參考值均分六份后為iLi_ref,與實際電流iLi進行比例積分調節,得到脈沖寬度調制(PWM)信號。脈沖寬度調制信號相位依次相差120°,驅動電力電子器件。

圖3 DC-DC變換器算法控制框圖

4 測試

為驗證DC-DC變換器的功能和性能滿足指標要求,基于DC-DC變換器、電池模擬器、儲能變流器搭建試驗平臺,對DC-DC變換器進行測試。

設置DC-DC變換器的輸出功率為110 kW,電池模擬器的直流輸出電壓為120 V,處于充電狀態。測試得到的DC-DC變換器輸出電流、電壓波形如圖4所示。圖4中通道1、2、4為支路電感電流波形,通道3為電池側電壓波形。

由圖4可知,各支路電感電流均約為150 A,實現了各支路電感電流的均分,同時不同支路電感電流相位依次相差120°,電池側的電流紋波明顯減小。目前,DC-DC變換器作為250 kW液流電池儲能系統的一部分,已正式投入運行。

5 結束語

筆者設計的大功率DC-DC變換器具有以下特點:

(1) 可以根據輸出功率大小,自動調整運行支路數量和支路電流大小,提高了DC-DC變換器的整體運行效率;

(2) 多路電路交錯并聯,相比同功率多臺小功率DC-DC變換器并聯,在斷路器數量、硬件電路、電感等方面降低了成本;

(3) 采用下垂控制技術,具有魯棒性,DC-DC變換器并聯運行的穩定性提高。

圖4 DC-DC變換器測試波形

通過測試驗證了DC-DC變換器的可行性和有效性。這一DC-DC變換器具有模塊化結構,可以根據儲能系統輸出功率的大小進行靈活配置,適用于要求低壓大功率輸出的液流電池儲能系統和退役電池儲能系統。