用于中壓直流電網的儲能變流器控制研究

朱筆能, 姚曉君, 朱述超

(1.蘇州蘇能集團有限公司,江蘇 蘇州 215004;2.南京理工大學,江蘇 南京 210094)

0 引言

為應對傳統化石能源的消耗而引起的全球氣候變化和環境污染,實現能源結構轉型,可再生的清潔能源在一次能源生產和消耗中的比重將逐步增大[1]。大量可再生能源發電并入中壓直流電網[2]中,雖然具有清潔無污染、可再生、經濟性好等優點,但不可忽視的是,其產生的電能具有波動性和間歇性的問題,大規模、可靠而穩定地向電網或負荷輸送電能是一個難題。 將儲能電池用于中壓直流電網能很好地利用可再生能源,提高系統供電的穩定性[3]。 在直流電網中,直流母線和儲能電池之間電能需要雙向傳輸,因此,能夠進行功率雙向傳輸的儲能變流器是關鍵設備[4]。

在中壓直流電網中,儲能變流器需要給電池可靠地充放電。 當可再生能源向直流母線發出的電能足夠給負載供電時,儲能變流器給儲能電池進行充電,將多余的能量存儲到電池中;當可再生能源發出的電能不足以使負載正常運行時,電池通過儲能變流器向直流母線釋放能量。 在眾多雙向DC-DC 變流器拓撲中,雙向有源H 橋變換器(Dual Active Bridge,DAB)具有電氣隔離、高功率密度、功率雙向流動等優點。雙向有源H 橋(DAB)最早在20 世紀80 年代末被提出[5],在控制策略和效率優化方面受到了廣泛的關注[6-9],已經發展成固態變壓器[10]、儲能[11-12]等變換器的拓撲結構。

文獻[6-9]為了減小DAB 回流功率、電流應力和實現軟開關,提升DAB 整體運行效率,各自提出了不同的移相控制策略并對如何提高效率進行了分析,然而并沒有將DAB 用于實現直流母線和儲能電池之間電能的雙向傳輸和提出相應的控制方法。 文獻[11-12]將DAB 用于給儲能電池充放電,但是其設計的單組DAB 電壓等級較低且傳輸的功率不大,無法適用于中壓直流電網與大容量儲能電池之間大功率地傳輸電能。 文獻[13]研究了用于直流電網中儲能系統的DAB 運行效率的計算方法。

本文針對中壓直流配電網設計了儲能變流器及控制方法,用以實現儲能電池的充電和放電功能。 針對現有研究設計的儲能變流器功率容量小且電壓等級低的問題,通過對DAB 的理論和控制方法研究,最終將兩組DAB 輸入端串聯、輸出端并聯組合使用以增大設備的傳輸功率和電壓等級。 在此基礎上,設計了電池充放電時的控制方法,同時為了減小電池充放電時的電流紋波,采用功率開關管驅動脈沖交錯移相控制的方法。 通過對DAB 的控制實現恒流—恒壓充電和恒流放電,仿真驗證控制方法的可行性。

1 儲能變流器的控制原理

本文所提的儲能變流器采用模塊化設計,功率模塊輸入串聯、輸出并聯能夠很好地滿足傳輸功率和器件耐壓的要求,單組功率模塊采用DAB 拓撲結構,如圖1 所示,模塊1 和模塊2 輸入側串聯之后接入中壓直流母線,輸出端并聯接儲能電池組,用以實現中壓直流母線和儲能電池之間功率的雙向流動。

圖1 用于中壓直流電網的儲能變流器

圖 1 中的DAB 由原邊H 橋和濾波電容Cin、副邊H 橋和濾波電容Cout以及連接它們的高頻隔離變壓器組成,隔離變壓器折算到輸入側的等效漏感為Llk,隔離變壓器的變比為n。Uin為一次側的直流輸入電壓,Uout為二次側的直流輸出電壓,S1～S8為DAB 變流器的功率開關管。

DAB 控制策略中廣泛使用的是單移相控制(Single Phase Shift,SPS),單移相控制下的各功率開關管驅動信號、原邊H 橋和副邊H 橋橋臂中點的電壓upri和usec和漏感電流iL波形如圖2 所示,Ths為半個開關周期。單移相原理為通過控制橋臂開關管的通斷,形成高頻電壓方波upri和usec,控制這兩個電壓方波產生一定的相位差,由隔離變壓器的漏感傳輸能量,定義兩個方波之間的相位差與π的比值為移相比D。

圖2 單移相控制原理

單移相控制策略中只有upri和usec之間的移相比D這一個變量,根據圖2 中的波形可算得DAB 傳輸功率大小

由式(1)可知,電路參數和輸入輸出電壓確定的情況下,可以通過控制移相比D的大小來控制傳輸功率的方向和大小。 當0＜D＜1 時,中壓直流母線向電池傳輸功率,即充電模式。 當-1＜D＜0,電池向中壓直流母線傳輸功率,即放電模式。

2 儲能變流器充放電控制策略

電池充電方法可以分為恒定電流充電和恒定電壓充電,本文選擇先進行恒流充電,隨著充電過程的推進,電池的電壓不斷升高,電壓升高到一定數值之后切換為恒壓充電。 恒壓充電過程中,電池儲存的能量逐漸飽和,電池充電電流會逐漸下降,下降到一定值后停止充電。 當電池向直流母線釋放能量時,由于直流母線電壓基本恒定,因此,采用恒流放電,即保持電池輸出電流為恒定值。

在恒流充電階段,需要控制變流器輸出的電流恒定,由式(1)可知,在輸入側直流母線電壓確定的情況下,通過控制移相比D來控制傳輸功率大小進而使得充電電流恒定,因此,恒流充電控制采用單個電流閉環控制即可實現。 然而DAB 主電路各元件參數在實際應用中無法做到完全一致,會導致兩組DAB 傳輸的功率不均衡,因此,需要額外的均壓均流控制。假設兩個模塊沒有傳輸功率損耗,Ui1、Ui2和Ii1、Ii2分別為兩組DAB 的輸入電壓和輸入電流,Uo1、Uo2和Io1、Io2分別為兩組DAB 的輸出電壓和輸出電流,根據功率關系可得

由于輸入串聯輸出并聯的結構,則有

因此,控制輸入側電壓均衡即可實現DAB 傳輸功率均衡,在單個電流閉環的基礎上加入兩個輸入側均壓環路控制,即當兩組DAB 輸入側電壓不平衡時均壓環對移相比起修正作用。 恒流充電控制如圖3所示,Iref為充電電流給定值,Io為采樣得到的變流器總輸出電流,即電池的充電電流,是單組DAB 輸入電壓的參考值,且總是為中壓直流母線電壓的一半,Ui1和Ui2分別為兩組DAB 的采樣得到的輸入電壓,D1和D2分別為兩組DAB 的移相比。

圖3 恒流充電控制

在儲能電池的恒壓充電階段,需保持電池的端電壓恒定,給定充電電壓為Uref,通過電壓閉環來控制充電電壓為給定值Uref。 隨著充電過程的繼續,充電電流逐漸減小,與恒流充電同理也需要加入均壓環控制輸入側電壓均衡,恒壓充電控制如圖4 所示,Ubat為采樣得到的電池端電壓。

圖4 恒壓充電控制

當儲能電池需要向中壓直流母線釋放電能時采用恒流放電,即只改變了儲能變流器輸出電流的流向,因此,通過電流閉環使得電池放電電流為給定值,同時加入輸入側均壓控制環路,控制方法與恒流充電同理。

由于儲能電池內部電阻極小,儲能變流器在給電池充放電時相當于兩個電壓源在相互傳輸能量,因此,DAB 的輸出電流紋波較大。 輸入串聯、輸出并聯的儲能變流器具備DAB 的本質特性和優點,儲能變流器采用了模塊化設計,可以利用功率開關管驅動脈動交錯移相控制方式減小充放電時的電流紋波,使得儲能變流器能夠更加平穩地給電池進行充電和放電。兩組DAB 功率開關管驅動脈沖信號與其各輸出電流波形io1、io2如圖5 所示,tJ為模塊2 原邊H 橋驅動脈沖信號滯后模塊1 原邊H 橋驅動脈沖信號的時間,本文取tJ=Ths/4,D1和D2為上文所述控制方法得到的兩組DAB 的移相比,兩組DAB 輸出電流交錯疊加從而減少總的輸出電流紋波。

圖5 驅動脈沖和輸出電流時序

圖6 充電電流為74 A 時的對比

3 仿真結果與分析

本文儲能電池采用的是額定電壓為320 V、額定容量為148 Ah 的磷酸鐵鋰電池組,設計單組DAB 額定功率為25 kW,單組DAB 主電路參數如表1 所示。

表1 仿真主電路參數

在MATLAB/Simulink 平臺搭建了基于上述控制方法和主電路參數的仿真模型,分別對恒流充電、恒壓充電、恒流放電的工作模式進行仿真,驗證控制的可行性。

首先,驗證本文所提驅動脈沖交錯移相能夠減小電池充放電電流紋波的有效性,根據電池數據手冊,常規充電電流最大為74 A,在指定充電電流皆為74 A 時做仿真對比,圖 6(a)為驅動脈沖不做交錯移相控制的穩態充電電流,圖 6(b)為驅動脈沖做交錯移相控制的穩態充電電流,仿真結果表明,兩組DAB驅動脈沖做交錯移相對比脈沖不做交錯移相時的充電電流紋波可以減小到一半以上。

其次,為驗證本文所提儲能變流器充放電控制方法的有效性,本文采用的磷酸鐵鋰電池的最大充電和最大放電電流皆為148 A,設置電池的初始荷電狀態為80%。 仿真開始時為恒流充電模式,指定充電電流為60 A。t=1 s 后切換到恒流放電模式,指定放電電流為60 A。 電池端電壓和充電電流的仿真結果如圖7 所示,仿真結果表明,充/放電電流可以達到給定值,即可以進行恒流充電和恒流放電。

圖7 恒流充電仿真

在恒壓充電模式時設置充電電壓為349.5 V,即在恒流充電階段當電池端電壓上升接近至349.5 V時切換為恒壓充電。 恒壓充電模式下穩態時仿真運行結果如圖8 所示,結果表明,輸出并聯的DAB 使得充電電壓保持恒定,同時電池的充電電流在不斷地下降。

4 結語

針對中壓直流電網中儲能電池的充放電需求,本文設計了一種儲變流器及其控制方法。 首先,儲能變流器采用功率模塊化設計,提高了電壓等級和傳輸功率;功率模塊采用DAB 拓撲結構,加入輸入側均壓控制環路使兩組DAB 功率均衡,進而又分別針對電池的充電和放電提出了各自的控制方法,即在充電模式時,采用恒流充電與恒壓充電相結合的控制方法,在放電模式時,采用恒流放電的控制方法。 其次,在電池充放電時,由于其內阻小,電流紋波較大,通過兩個功率模塊間的驅動脈沖做交錯移相的方法來減小充放電時的電流紋波。 最后,通過仿真充分驗證了儲能變流器和控制策略可行性和有效性。