基于LCL濾波器的蓄電池雙向DC/DC變換器的研究

李寧寧,　梁爽,　紀延超,　王建賾,　喬仁爽

(1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001;

2.山東黃金集團煙臺設(shè)計研究工程有限公司,山東 煙臺 264006)

?

基于LCL濾波器的蓄電池雙向DC/DC變換器的研究

李寧寧1,梁爽1,紀延超1,王建賾1,喬仁爽2

(1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院,黑龍江 哈爾濱 150001;

2.山東黃金集團煙臺設(shè)計研究工程有限公司,山東 煙臺 264006)

摘要:針對LCL型濾波器在DC/DC儲能變換器的應用中,流過濾波電容的電流難以準確測量的問題,提出了一種電容電壓內(nèi)環(huán)反饋控制方法。首先依據(jù)蓄電池對充放電電流的要求,對LCL濾波器的參數(shù)進行了設(shè)計,以蓄電池側(cè)電流為控制對象,加入濾波電容電壓微分的反饋環(huán)節(jié),增加系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將LCL型濾波器應用到DC/DC儲能變換器中,相比于傳統(tǒng)的L型濾波器,可以大大減小濾波電感值,減小蓄電池充放電電流紋波,延長蓄電池壽命。最后通過仿真和實驗驗證了該方案的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞:LCL濾波器; DC/DC雙向變換器; 蓄電池充放電; 電容電壓微分反饋

梁爽(1990—)，女，碩士，研究方向為電能質(zhì)量控制；

紀延超(1962—)，男，教授，博士生導師，研究方向為現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應用及靈活交流輸電系統(tǒng)；

王建賾(1972—)，男，教授，研究方向為電能質(zhì)量檢測與控制；

喬仁爽(1983—)，男，碩士，研究方向為電能質(zhì)量控制。

0引言

新能源的發(fā)展順應了日益匱乏的能源和日趨惡化的環(huán)境,新能源因為自然條件的影響,波動性和間歇性也對新能源并網(wǎng)的安全運行帶來顯著影響,儲能技術(shù)可以在很大程度上解決新能源的隨機性和波動性問題,而蓄電池儲能系統(tǒng)也是目前技術(shù)最成熟的一種儲能技術(shù),現(xiàn)在也有大量的蓄電池儲能系統(tǒng)在新能源、微電網(wǎng)中應用[1-2]。

在蓄電池儲能系統(tǒng)中,雙向變流器承擔蓄電池能量和DC/AC變流器能量雙向輸送的任務,采用L型濾波器的Buck/Boost型雙向變流器在可靠性、體積和質(zhì)量以及轉(zhuǎn)換效率、并聯(lián)性能等方面都適合于大功率變換的場合。LCL型濾波器經(jīng)常在DC/AC變流器中使用,如光伏發(fā)電變流器、風力發(fā)電變流器、PWM型整流器、STATCOM、APF等電力電子設(shè)備[3-4]。然而LCL型濾波器很少在直流DC/DC變換器中應用,文獻[5]中介紹了一種LCL濾波器用于蓄電池的充電,減少蓄電池的充電紋波電流,但僅僅是充電的控制。

本文將LCL型濾波器引入到Buck/Boost雙向變換器中,降低了L型濾波器的體積,并減少了充放電的紋波電流對蓄電池壽命的影響。用于DC/DC變換器中的LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計與并網(wǎng)逆變器有所不同。以蓄電池側(cè)電流為控制對象,采用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制,將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻[6]介紹了在電容上串聯(lián)電阻,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但阻尼電阻會消耗能量。文獻[7-8]提出了一種阻尼電阻的虛擬實現(xiàn)方法。文獻[9-10]采用了加入電容電流反饋控制,而在實際應用中電容電壓的檢測要易于電容電流的檢測。本文提出了一種電容電壓內(nèi)環(huán)反饋控制方法,引入電容電壓微分控制環(huán)節(jié),可以增加系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并通過仿真和實驗驗證了該控制方法的正確性。

1LCL參數(shù)的設(shè)計

對于LCL的參數(shù)設(shè)計,DC/DC變換器輸出電壓以及蓄電池充放電電流紋波的限值是其關(guān)鍵影響因素[5]。蓄電池經(jīng)LCL濾波器接入到DC/DC變換器的電路模型,如圖1所示。

圖1蓄電池經(jīng)LCL濾波器接入DC/DC變換器的電路模型

Fig. 1The circuit model of battery with

DC/DC using LCL

蓄電池端電壓為200 V,直流側(cè)電壓為800 V,蓄電池的充放電模式采用恒流控制,最大充放電電流為50 A。在開關(guān)頻率為10 kHZ時流過L1電流的紋波電流值為25 A。根據(jù)BUCK-BOOST電路設(shè)計公式[11]

(1)

式中:Ubat為蓄電池電壓;ΔI1為蓄電池充放電的紋波電流;fs為DC/DC變換器開關(guān)管的開關(guān)頻率;D為DC/DC變換器的占空比。通過計算可以得到L1=0.2 mH。

變換器側(cè)電流i1的紋波電流為25 A,其中的紋波電流將通過由L2和C組成的LC濾波器減弱。設(shè)計L2和C的參數(shù)需要考慮i2與i1的傳遞函數(shù)為

(2)

式中:i2為流過蓄電池的電流;i1為流過電感L1的電流。

用jωsw代替s,得到傳遞函數(shù)的幅頻特性為

(3)

其中,ωsw為DC/DC變換器的開關(guān)角頻率2π×104rad/s。通過式(3)中設(shè)置i2和i1的比值,可以選擇LCL濾波器的濾波能力,本文取1/10為例,那么流過L2的紋波電流將會是流過L1紋波電流的10%,也就是說流過蓄電池的充放電電流,通過LCL濾波器后,紋波電流只剩下了10%。通過計算得到L2=0.05 mH,C=50 μF,實際取C=80 μF。

圖2給出電容分別取50 μF、80 μF、100 μF時的波特圖。圖中可以看出,電容取值越大,穩(wěn)定裕度越在要求范圍,也就是穩(wěn)定性越好?？紤]成本問題,選取C=80 μF。如果采用L濾波器,為得到相同大小的電流紋波,則所需的電感值為2.1 mH,遠遠大于LCL濾波器中L1和L2電感值的總和。因此,采用LCL濾波器可以減小裝置所占體積,從而提高功率密度。

圖2　幅頻特性

2電容電壓反饋控制

根據(jù)推導可以得到輸出電壓ui與蓄電池側(cè)電流i2的傳遞函數(shù)為

(4)

如果采用傳統(tǒng)的PI控制直接對蓄電池側(cè)的電流i2進行閉環(huán)控制,Kpwm是DC/DC變換器在平均值模型下的傳輸增益,Kpwm=Udc/Vtr,這里Vtr為三角載波的幅值?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖3　i2直接閉環(huán)控制框圖

Fig. 3Block diagram of controller withi2

feedback only

那么得到PI控制器輸出A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(5)

文獻[6]在電容上串聯(lián)電阻,增加系統(tǒng)的阻尼,其控制框圖如圖4所示,得到A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(6)

圖4　電容串聯(lián)阻尼電阻控制框圖

Fig. 4Control block diagram of resistance in

series of capacitor

文獻[9]采用了電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制,控制框圖如圖5所示,此時得到A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(7)

圖5　電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制框圖

Fig. 5Block diagram of controller withicfeedback

control introduced

畫出式(5)、式(6)、式(7)的幅頻特性曲線,如圖6所示?？梢钥闯鋈绻詉2為控制目標,采用式(5)的控制方法,系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)存在諧振尖峰,此時系統(tǒng)是不穩(wěn)定的;在電容上串聯(lián)電阻可以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作,但是卻增加了功率的損耗;引入電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制,諧振尖峰得到了很好的抑制,系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了。而在實際應用中,電容電壓要更易于電容電流的測量,因此本文提出了電容電壓微分反饋環(huán)節(jié),可以增大系統(tǒng)阻尼,從而達到抑制諧振的目的,控制框圖如圖7所示。

圖6　閉環(huán)控制傳遞函數(shù)的幅頻特性

Fig. 6Amplitude and frequency characteristics

of closed loop control

圖7　濾波電容電壓微分反饋控制框圖

Fig. 7Block diagram of controller with capacitor

voltage differential feedback

得到A(s)與I2(s)之間新的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

通過PI控制器實現(xiàn)反饋校正,校正后得到的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(9)

其幅頻特性如圖8所示,可以看到引入電容電壓微分反饋控制后,諧振尖峰得到了很好地抑制。因此,在A(s)之后增加uc反饋控制環(huán)節(jié)的控制策略可抑制諧振,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中kp、ki、k值的選取也會影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。圖8給出4組參數(shù)的波特圖,其中kp=5、ki=500、k=20是較好的一組參數(shù)。

根據(jù)圖7所示的控制框圖,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)反饋校正,可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

kpwmkL2s3+(L1+L2)s2+kpwmkps+

kpwmki)。

(10)

系統(tǒng)的特征方程為

D(s)=L1L2Cs4+kpwmkL2s3+(L1+L2)s2+

kpwmkps+kpwmki=0。

(11)

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù),可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定條件為

將上述參數(shù)代入判據(jù)公式,滿足勞斯穩(wěn)定判據(jù),加入電容電壓微分反饋的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。

圖8電容電壓微分反饋控制傳遞函數(shù)的幅頻特性

Fig. 8Amplitude and frequency characteristics of

controller with capacitor voltage

differential feedback

3仿真及實驗

3.1　仿真及結(jié)果

為了驗證理論分析的正確性和引入電容電壓微分反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在Matlab/SIMULINK的仿真環(huán)境下建立了如圖1所示的模型并進行了仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

在t=0.1 s時蓄電池以I=50 A的電流進行放電,t=0.4 s時蓄電池以相同大小的電流進行充電。圖9為采用LCL型濾波器,引入電容電壓微分反饋控制后,蓄電池的充放電電流波形圖;圖10為蓄電池側(cè)電流的THD含量圖;圖11為流過濾波電感L1的電流波形圖;圖12為采用L型濾波器,濾波電感值等于2.1 mH時,蓄電池的電流波形圖;圖13為采用2.1 mH電感時,電流的THD含量。

圖9　蓄電池側(cè)電流波形

圖10　蓄電池側(cè)電流的THD

圖11　流過L1的電流波形

圖12　采用2.1 mH電感時的電流波形

圖13　采用2.1 mH電感時電流的THD

根據(jù)波形圖可以看到應用LCL濾波器后,蓄電池充放電電流的紋波電流幅值為3.5 A,電流的THD含量為4.94%,而采用2.1 mH純電感時,電流紋波電流的幅值為3 A,電流的THD含量4.03%,主要為開關(guān)頻率次的高次諧波,而LCL濾波器的高次諧波基本被濾除,由此可以看出LCL型濾波器能更好的濾除高次諧波,并驗證了采用電容電壓微分反饋控制的系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。

3.2　實驗及結(jié)果

為進一步驗證文中提出的控制策略的正確性,以TMS320LF2812 數(shù)字信號處理器為控制芯片,搭建了300 W的實驗平臺,如圖14所示。

圖14　實驗平臺圖

實驗中,蓄電池采用的是2個CHAMPION的12 V蓄電池串聯(lián)作為蓄電池模塊,英飛凌FF150R17KE4型號的IGBT模塊做為開關(guān)管,開關(guān)頻率為10 kHz,其他參數(shù)與仿真中的參數(shù)一致。蓄電池的充放電電流為10 A,系統(tǒng)在5 s時由放電轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)。圖15為采用LCL型濾波器時蓄電池的充放電電流,流過蓄電池紋波電流的幅值為2.3 A;圖16為采用LCL型濾波器時流過電感L1的電流,紋波電流為26 A。

圖15　蓄電池側(cè)的電流

可見,通過LCL濾波后,流過蓄電池的紋波電流大大降低。圖17為采用2.1 mH的L型濾波器時流過蓄電池的電流,紋波電流為1.5 A。通過實驗可以看出采用LCL濾波器可以減小蓄電池充放電的紋波電流,可以近似的等于其10倍電感容量的L型濾波器的濾波效果,從而可以大大減小濾波電感的體積,同時,通過實驗過程,也檢驗了電容電壓微分反饋控制系統(tǒng),可以增大系統(tǒng)阻尼,抑制諧振,使控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

圖16　流過L1的電流

圖17　采用2.1 mH電感時的電流波形

4結(jié)論

采用蓄電池側(cè)電流直接閉環(huán)控制的LCL濾波器會引起系統(tǒng)產(chǎn)生諧振尖峰,易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文提出了電容電壓微分反饋控制,并對應用在DC/DC變換器的LCL的參數(shù)進行了設(shè)計。通過仿真和實驗結(jié)果表明所設(shè)計參數(shù)的正確性以及控制策略抑制諧振尖峰增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效性。

參 考 文 獻:

[1]黃曉東, 郝木凱, 陸志剛, 等. 微網(wǎng)系統(tǒng)中電池儲能系統(tǒng)應用技術(shù)研究[J]. 可再生能源, 2012, 30(1): 38-41.

HUANG Xiaodong, HAO Mukai, LU Zhigang, et al. Application of battery energy storage system in microgrid[J]. Renewable Energy Resources, 2012, 30(1): 38-41.

[2]賈宏新, 張宇, 王育飛, 等.儲能技術(shù)在風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J]. 可再生能源, 2009, 6:10-15.

JIA Hongxin, ZHANG Yu, WANG Yufei, et al. Energy storage for wind energy applications[J]. Renewable Energy Resources,2009,6:10-15.

[3]陳瑤,金新民,童亦斌.三相電壓型PWM整流器網(wǎng)側(cè)LCL濾波器[J].電工技術(shù)學報,2007,9:124-129.

CHEN Yao, JIN Xinmin, TONG Yibin. Grid-side LCL-filter of three-phase voltage source PWM rectifier[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,9:124-129.

[4]孫蔚,伍小杰,戴鵬,等.基于LCL濾波器的電壓源型PWM整流器控制策略綜述[J].電工技術(shù)學報,2008,1:90-96.

SUN Wei, WU Xiaojie, DAI Peng, et al. Overview of current control strategy for three-phase voltage-source rectifier with LCL-filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society,2008,1:90-96.

[5]ZHOU Xiaohu, YU Xunwei, LUKIC, et al. LCL filter utilized in battery charging applications to achieve compact size and low ripple charging[C]//Energy Conversion Congress and Exposition, September 15-20,2012, Raleigh,USA.2012: 660-665.

[6]鄭昕昕,肖嵐,王長寶,等.三相變流器LCL濾波器參數(shù)優(yōu)化新方法[J].中國電機工程學報,2013,33(12):55-63.

ZHENG Xinxin, XIAO Lan, WANG Changbao, et al. A new parameter optimization method of LCL filters in three-phase converters[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(12):55-63.

[7]WESSLS, CHRISTIAN, DANNEHL, et al. Active damping of LCL-filler resonance based on virtual resistor for PWM rectifiers[C]//39th IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference-Proceedings, June 15-19,2008, Rhodes, Greece. 2008:3532-3538.

[8]DRAGAN Jovcic, LU Zhang.LCL DC/DC converter for DC grids[J].IEEE Transactions on Power Delivery,2013,28(4):2071-2079.

[9]鄧翔,胡雪峰,龔春英. LCL濾波并網(wǎng)逆變電源的控制策略研究[J].電機與控制學報,2011,5(15):37-41.

DENG Xiang, HU Xuefeng, GONG Chunying. Study on control scheme for grid-connected inverter with LCL filter [J]. Electric Machines and Control, 2011,5(15):37-41.

[10]劉計龍,馬偉明,肖飛,等. 一種LCL 濾波器有源阻尼策略與設(shè)計方法[J].電機與控制學報,2013,5(17):22-27.

LIU Jilong, MA Weiming, XIAO Fei, et al. An active damping control strategy and design method for LCL filter [J]. Electric Machines and Control, 2013,5(17):22-27.

[11]KAKIGANO H, NISHINO A, MIURA Y, et al. Distribution voltage control for DC microgrid by converters of energy storages considering the stored energy[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, September 12-16,2010,Atlanta, USA.2010:2851-2856.

[12]GUERRERO J M, VASQUEZ J C, MATAS J, et al. Control strategy for flexible microgrid based on parallel line-interactive UPS systems[J]. IEEE Transactions on Industry Electronics, 2009, 56(3):726-736.

[13]LU X, SUN K, GUERRERO J M, et al. State-of-charge balance using adaptive droop control for distributed energy storage systems in DC micro-grid applications[J].IEEE Transactions on Industry Electron,2014,61(6): 2804-2815.

[14]BARRADO J A., GRINO R, VALDERRAMA-BLAVI H. Power-quality improvement of a stand-alone induction generator using a STATCOM with battery energy storage system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery,2010,25(4):2734-2741.

(編輯：劉琳琳)

Research on battery DC/DC bidirectional converter using LCL filter

LI Ning-ning1,LIANG Shuang1,JI Yan-chao1,WANG Jian-ze1,QIAO Ren-shuang2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

2. Shandong Gold Group Yantai Design Engineering Co. Ltd., Yantai 264006, China)

Abstract:It is difficult to measure the current of capacitor in LCL filter, in order to solve this problem, a kind of capacitor voltage feedback loop control method was proposed. The parameters of LCL were designed based on the requirements of the ripple of charging and discharging current. And the control strategy with the capacitor voltage differential feedback was proposed to control the battery side current, which can eliminate resonance and improve system stability. The simulation and experiment results prove that the strategy proposed is correct and practicable.

Keywords:LCL filter; DC/DC bidirectional converter; battery charging and discharging; capacitor voltage differential feedback

通訊作者:李寧寧

作者簡介:李寧寧(1982—)，男，博士研究生，研究方向為電能質(zhì)量控制；

基金項目：科技部國際合作項目 (2010DFR70600)

收稿日期:2014-04-21

中圖分類號:TM 46

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2015)07-0008-06

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.002