16雙向DC-DC儲能變流器工作原理及其控制概述目錄TOC\o"1-3"\h\u17830雙向DC-DC儲能變流器工作原理及其控制概述 1246081.1直流微電網(wǎng)運行模式分析 183731.2雙向DC/DC變流器拓撲結(jié)構(gòu) 2174351.3雙向DC/DC儲能變流器工作模式分析 5109841.3.1Buck工作模式 6169471.3.2Boost工作模式 774731.4儲能變流器控制原理 8240101.4.1恒流控制模式 9191281.4.2恒壓控制模式 91.1直流微電網(wǎng)運行模式分析直流微電網(wǎng)存在著豐富的分布式電源與負荷，因此存在著頻繁的能量流動。儲能變流器是直流微電網(wǎng)中不可或缺的能量轉(zhuǎn)換中心。主要功能是為系統(tǒng)提供短時供電、提高電能的質(zhì)量、提升系統(tǒng)工作效益[12]。如圖2-1所示，現(xiàn)下處于應(yīng)用的直流微網(wǎng)的結(jié)構(gòu)中，雙向DC/DC變換器的兩端與儲能裝置和直流母線分別相連，直流母線還通過DC/AC變換器與大電網(wǎng)連接，由此可見，直流微網(wǎng)必然存在著兩種運行方式：并網(wǎng)運行模式、孤島運行模式[13]。圖2-1直流微網(wǎng)常見運行示意圖所謂并網(wǎng)運行模式就是直流微網(wǎng)與大電網(wǎng)通過DC/AC變換器連接，DC/AC變換器處于工作狀態(tài)（整流模式或逆變模式），如此一來，有著大電網(wǎng)的支撐，可以保證在儲能裝置受限的情況下直流微網(wǎng)依然可以穩(wěn)定向負載供電；同樣的，當分布式能源發(fā)電處于旺季（如夏季的太陽能、春季的風能）時，直流微網(wǎng)產(chǎn)生電能有余裕時，也可以通過DC/AC變換器將電能饋送至大電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)運行。圖2-2直流微網(wǎng)并網(wǎng)運行模式直流微電網(wǎng)處于孤島模式運行時，DC/AC變換器處于斷開狀態(tài)，能量僅在直流母線、DC/DC變換器、儲能裝置之間流動，而對其中的能量轉(zhuǎn)換中樞——儲能變流器的控制就是一個極其關(guān)鍵的議題。受限于實驗條件，本文不討論直流微網(wǎng)在并網(wǎng)運行模式下的控制，僅討論圖2-3所示孤島運行模式下對于DC/DC儲能變流器的控制。圖2-3直流微網(wǎng)孤島運行模式1.2雙向DC/DC變流器拓撲結(jié)構(gòu)雙向DC/DC變換器可分為兩隔離型拓撲和非隔離拓撲。非隔離的拓撲在沒有磁隔離的情況下傳輸電能。雖然非隔離拓撲不使用變壓器，也缺乏隔離型拓撲的優(yōu)點，如高升壓增益比，但它們有著更簡單的配置、結(jié)構(gòu)，并且沒有隔離型拓撲的缺點，如電磁干擾、較高的重量。當尺寸和重量在特定應(yīng)用中很重要時，這些特性使它們脫穎而出。在實際應(yīng)用中出于對變換器重量以及成本、結(jié)構(gòu)的繁易程度考慮，一般應(yīng)用非隔離型雙向DC/DC變換器，而非隔離型雙向DC/DC變換器大致可以分為以下四種拓撲：雙向半橋變換器別名Buck&Boost變換器，用雙向功率開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的降壓升壓變換器的單向開關(guān)，就可以得到雙向半橋變換器，它是基礎(chǔ)的Buck變換器和Boost變換器的拓撲組合，通過控制開關(guān)管S1和S2的開斷來控制能量流動的方向，它優(yōu)點顯著結(jié)構(gòu)簡單、所用的電力電子元器件較很少，被廣泛用于光伏系統(tǒng)和UPS電源中。圖2-4.雙向半橋變換器采用把單向升降壓變換器轉(zhuǎn)換為雙向半橋變換器的方法，即在單向變換器拓撲中使用雙向的開關(guān)管代替原拓撲的二極管，就可以得到雙向Buck-Boost變換器。與雙向半橋變換器相比，它可以實現(xiàn)較大范圍的調(diào)壓。此外，雙向Buck-Boost變換器還具有器件少、結(jié)構(gòu)簡單、效率較高的優(yōu)點，但是其輸入輸出極性相反，兩個開關(guān)管都要使用浮地驅(qū)動，驅(qū)動電路的設(shè)計較雙向半橋變換器更為復雜，適用于小功率的場合。圖2-5.雙向Buck-Boost變換器Cuk變換器以其輸入電流和輸出電流的連續(xù)性等特點而聞名，在原電路的功率開關(guān)和二極管的位置上使用兩個雙向功率開關(guān)，就可以將其轉(zhuǎn)換為雙向拓撲。但是其輸入輸出極性相反，電路結(jié)構(gòu)比較復雜，且由于能量在傳遞過程中必須經(jīng)過電容C3，不能直接傳遞到負載，所以其效率較低，不適合在功率較大的場合使用[14]。圖2-6.雙向Cuk變換器當功率從VL流向VH終端時，該拓撲充當SEPIC轉(zhuǎn)換器，當功率從VH流向VL時充當Zeta轉(zhuǎn)換器。通常雙向Sepic/Zeta變換器有輔助支路，可以在輸入輸出之間形成一條直接的能量傳輸路徑，能有效減小電流紋波。但是它效率不高，且結(jié)構(gòu)較為復雜，使用電力電子器件較多。圖2-7.雙向Sepic/Zeta變換器表2-1、2-2對四種雙向DC／DC變換器電路中的功率器件和二極管所承受的電流及電壓應(yīng)力進行了細致的對比。表2-1非隔離型雙向DC/DC變換器電壓應(yīng)力比較變換器拓撲結(jié)構(gòu)二極管耐壓值開關(guān)管耐壓值雙向半橋變換器雙向BUCK/Boost變換器雙向CUK變換器雙向Sepic/Zeta變換器表2-2非隔離型雙向DC/DC變換器電流應(yīng)力比較變換器拓撲結(jié)構(gòu)占空比D開關(guān)管承受電流雙向半橋變換器Buck模式雙向半橋變換器Boost模式雙向BUCK/Boost變換器雙向CUK變換器通過表中以及電路結(jié)構(gòu)圖的細致對比可知雙向半橋變換器有著以下的優(yōu)點：變換器的功率器件以及二極管承受的電壓、電流應(yīng)力最小，且結(jié)構(gòu)簡單、整體效率較高。故選用雙向半橋變換器作為實驗的控制對象進行研究。1.3雙向DC/DC儲能變流器工作模式分析圖2-8為本文所用雙向DC/DC儲能變流器拓撲簡圖，Ui表示儲能裝置提供的直流側(cè)電源，L為儲能電感，R為模擬電感內(nèi)阻，S1、S2為IGBT與二極管組成的開關(guān)管，Co為輸出儲能電容，Rc為模擬電容內(nèi)阻，Req為直流微網(wǎng)的直流負載，Uo為直流微網(wǎng)側(cè)直流母線電壓。具體參數(shù)見表2-1。對雙向半橋變換器的工作模式進行完整清楚的分析是進行控制研究是基礎(chǔ)。圖2-8.雙向半橋變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖1.3.1Buck工作模式儲能變流器處于Buck工作模式下時，能量由直流電網(wǎng)側(cè)向儲能系統(tǒng)流動。下管S2處于關(guān)斷狀態(tài)，此時電路有兩種工作方式，如圖2-9、圖2-10所示分別為開關(guān)管S1開通和開關(guān)管S1關(guān)斷對應(yīng)的工作模式。圖2-9.Buck工作模式下S1開通圖2-10.Buck工作模式下S1關(guān)斷Buck模式開關(guān)管S1開通時，二極管D2截止，能量由直流微網(wǎng)往儲能電池流動，對儲能電池進行充電，在儲能電感L飽和前，電感電流穩(wěn)定上升，電感電壓為Uo-Ui。當開關(guān)管S1關(guān)斷時，二極管D2導通進行續(xù)流，在續(xù)流環(huán)路中，儲能電感電流開始均勻減小繼續(xù)對儲能電池進行充電。那么對開關(guān)管S1驅(qū)動端施加PWM信號，S2端施加截止信號，則雙向半橋DC/DC變換器就可以實現(xiàn)Buck變換電路功能，即降壓變換。變換電路輸出電壓方向為正向，電壓的變比為：（1）D1為驅(qū)動開關(guān)管S1的PWM信號占空比。1.3.2Boost工作模式儲能變流器處于Boost工作模式下時，能量由儲能系統(tǒng)向直流電網(wǎng)側(cè)流動，儲能電池向直流微網(wǎng)供電。上管S1處于關(guān)斷狀態(tài)，此時電路有兩種工作方式，如圖2-11、圖2-12所示分別為開關(guān)管S2開通和開關(guān)管S2關(guān)斷對應(yīng)的工作模式。圖2-11.Boost工作模式下S2導通圖2-11.Boost工作模式下S2關(guān)斷Boost工作模式下開關(guān)管S2導通時，儲能電感在飽和前電流逐漸上升，當開關(guān)管S2關(guān)斷時，二極管D2開通，儲能電池給儲能電容Co充電的同時給負載供電，此時儲能電流逐漸減小。那么對開關(guān)管S2驅(qū)動端施加PWM信號，S1驅(qū)動端施加截止信號，可得到輸出輸入電壓的變比為：（2）D2為施加給開關(guān)管S2的PWM信號占空比。當采用同步整流技術(shù)[15]（上下管互補導通），就可以得到：(3)那么也可以得到：(4)綜上，采用上下管互補導通的方式，通過控制占空比就可以實現(xiàn)對輸出電壓的升降壓控制。1.4儲能變流器控制原理控制方案的設(shè)計中，大家往往從雙向DC/DC變流器的Buck模式和Boost模式入手，分別建立Buck模式和Boost模式的狀態(tài)空間模型，推導得到兩個模式下的控制模型，在兩個控制模式下進行切換，對儲能裝置做充放電控制[16-17]。直流微網(wǎng)中不存在頻率、相位角、無功功率的控制，衡量電能質(zhì)量的指標都將著眼于直流母線電壓以及上文提到的儲能電感的電流上，本文對于直流儲能變流器的控制也將圍繞這兩個重要數(shù)據(jù)展開。本節(jié)將基于PI控制，設(shè)計對于儲能電感電流以及直流母線電壓的恒流控制模式以及恒壓控制模式。1.4.1恒流控制模式在直流母線電壓額定時，此時根據(jù)不同需要，控制儲能電感上的電流使其穩(wěn)定在給定值即為恒流控制模式。該控制模式的意義在于可以通過控制電感電流的正負來改變儲能變流器與直流微網(wǎng)的能量流動方向。當電流給定值為正時，儲能裝置處于放電狀態(tài)，向直流微網(wǎng)供電，而當電流給定值為負值時，直流微網(wǎng)向儲能裝置供電，儲能裝置處于充電狀態(tài)。圖2-13.恒流控制模式控制框圖圖2-13為恒流控制模式控制框圖，可以看到，電流給定值與電流采樣值的差值被送入到PI控制器中，得到的控制電流信號與鋸齒波經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制，輸出的反饋控制信號對DC/DC變換