移相全橋變換器在直流微電網(wǎng)儲能單元中的應(yīng)用

王盼寶，王 衛(wèi)，劉鴻鵬，吳 炎

（哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動化學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

作為一種新型的輸配電系統(tǒng)，微電網(wǎng)展現(xiàn)出巨大的活力，受到廣泛關(guān)注。微電網(wǎng)可集成大量光伏、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源，實(shí)現(xiàn)本地發(fā)電本地用電，也可與大電網(wǎng)交換能量，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，并通過協(xié)調(diào)控制、能量管理實(shí)現(xiàn)自治控制［1-3］。這些特點(diǎn)使得微電網(wǎng)不僅適合在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用，也可應(yīng)用在商業(yè)、住宅小區(qū)等場合。相比于交流微電網(wǎng)，直流微電網(wǎng)更加高效［4］，因?yàn)楣夥姵?、蓄電池等都屬于直流電源，且大量用戶設(shè)備也是直流型供電，如果彼此通過直流變換器連接，可節(jié)省大量DC-AC和AC-DC變換器。同時，直流微電網(wǎng)不涉及無功和同步問題［5-6］，可靠性與可控性大幅提高。

微電網(wǎng)具有可再生能源滲透率高的特點(diǎn)，大量間歇性電源會造成系統(tǒng)內(nèi)供電波動，同時負(fù)載突變和來自大電網(wǎng)的沖擊也會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。作為微電網(wǎng)中的重要組成部分，儲能單元不僅可平抑系統(tǒng)內(nèi)短時功率波動，也可在系統(tǒng)內(nèi)能量不足時提供長時的能量補(bǔ)充。在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能單元可通過雙向DC-DC變換器直接與直流母線連接，常見的雙向DC-DC變換器可分為隔離型和非隔離型兩大類［7］。文獻(xiàn)［8］使用 Buck /Boost型雙向變換器作為直流微電網(wǎng)中的儲能單元變換器，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中儲能單元對應(yīng)的充、放電控制策略，并在系統(tǒng)不同運(yùn)行模式下進(jìn)行了驗(yàn)證。

移相全橋變換器［9-10］通過全橋與高頻變壓器組成高變壓比DC-DC變換器，通過移相控制進(jìn)行能量傳輸。當(dāng)高頻變壓器兩側(cè)均為全控全橋時，可改變兩側(cè)全橋驅(qū)動信號的相位角實(shí)現(xiàn)對變換器兩端功率流動大小和方向的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動。移相全橋變換器早期被應(yīng)用在艦船、飛機(jī)［11］的直流供電系統(tǒng)中，但是工作模式較為簡單，只需工作在電壓模式。

與傳統(tǒng)的Buck/Boost變換器相比，移相全橋變換器變壓比高，輸入輸出電壓調(diào)節(jié)范圍寬［12］，在直流母線電壓較高時，可有效減少因蓄電池組串聯(lián)過多而造成的不平衡問題；同時，其具有電氣隔離的特點(diǎn)，系統(tǒng)電氣安全性得到保證，因此更適合應(yīng)用在微電網(wǎng)中。此外，移相全橋電路更易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)控制［13］，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的效率。文獻(xiàn)［14］介紹了移相全橋變換器的工作原理，并對其環(huán)流能量進(jìn)行了定量分析。文獻(xiàn)［15］針對移相全橋變換器工作在輕載和重載不同情況下的差異，提出了一種基于混合調(diào)制的移相控制策略。

本文使用移相全橋變換器作為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)儲能單元接口變換器，根據(jù)直流微電網(wǎng)的運(yùn)行特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的控制策略。首先介紹了低壓直流微電網(wǎng)的組成結(jié)構(gòu)與運(yùn)行方式，給出了基于移相全橋變換器的直流微電網(wǎng)儲能單元結(jié)構(gòu)，然后結(jié)合其工作原理，針對儲能單元運(yùn)行在恒壓下垂模式和恒流模式設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，提出一種基于母線電壓信息和電流指令的儲能單元模式切換方案。最后搭建實(shí)驗(yàn)平臺對所提的設(shè)計(jì)方案和控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 直流微電網(wǎng)運(yùn)行模式與儲能單元設(shè)計(jì)

1.1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)組成

本文采用如圖1所示的直流微電網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。其主要包括光伏發(fā)電單元、風(fēng)力發(fā)電單元（可統(tǒng)稱為分布式發(fā)電單元），儲能單元，并網(wǎng)變換器和用戶負(fù)載等。微電網(wǎng)中心控制器（MGCC）通過慢速通信與系統(tǒng)各單元實(shí)現(xiàn)雙向通信，可獲取各單元的工作狀態(tài)與數(shù)據(jù)，進(jìn)行能量管理，發(fā)出控制指令調(diào)節(jié)各單元的工作狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of DC microgrid

圖1中，igrid、ipv、iwt、ies、iload分別為流經(jīng)并 網(wǎng)變換器、光伏發(fā)電單元變換器、風(fēng)力發(fā)電單元變換器、儲能單元變換器以及負(fù)載變換器的電流。

1.2 直流微電網(wǎng)運(yùn)行方式

與交流微電網(wǎng)類似，直流微電網(wǎng)的運(yùn)行方式可分為并網(wǎng)運(yùn)行和離網(wǎng)運(yùn)行兩大類［16］。在并網(wǎng)運(yùn)行模式中，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)電單元發(fā)出能量滿足本地負(fù)載后仍有剩余時，并網(wǎng)變換器可工作在逆變狀態(tài)向電網(wǎng)饋電，反之并網(wǎng)變換器可工作在整流狀態(tài)從電網(wǎng)獲取電量。大電網(wǎng)發(fā)生故障或直流微電網(wǎng)系統(tǒng)自身能夠維持能量平衡時，并網(wǎng)變換器停機(jī)，系統(tǒng)則切換至離網(wǎng)運(yùn)行模式。

在直流微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時，當(dāng)分布式發(fā)電單元發(fā)出能量充足時，直流母線電壓尤其穩(wěn)定，此時系統(tǒng)中多個分布式發(fā)電單元同時工作在恒壓輸出模式，多個直流電壓源并聯(lián)會由于自身變換器與線纜阻抗等參數(shù)差異導(dǎo)致輸出功率失衡，可在控制策略中引入下垂控制［17］實(shí)現(xiàn)各單元輸出功率的合理分配；當(dāng)分布式發(fā)電單元發(fā)出能量不足時，將切換至最大功率跟蹤模式，此時儲能單元放電并穩(wěn)定直流母線電壓。如遇交流電網(wǎng)故障不能并網(wǎng)運(yùn)行，且分布式發(fā)電單元和儲能單元發(fā)出能量均不能滿足負(fù)載需求時，則系統(tǒng)需要進(jìn)行減載操作。

直流微電網(wǎng)的運(yùn)行控制方法主要有主從控制和自主控制2種［18］，后者因無需快速通信而更加符合微電網(wǎng)分布的特點(diǎn)。在直流微電網(wǎng)基于母線電壓信息的自主控制［19-20］中，系統(tǒng)各單元可依照直流母線電壓信息協(xié)調(diào)運(yùn)行，大致方法是將直流母線電壓分成若干等級，系統(tǒng)各單元按照不同電壓等級下設(shè)定的狀態(tài)運(yùn)行，且每個電壓等級下都有指定的單元工作在恒壓模式穩(wěn)定直流母線電壓，其余單元則工作在電流模式。

本文采用基于母線電壓信息的自主控制對直流微電網(wǎng)中儲能單元的運(yùn)行模式進(jìn)行切換，具體內(nèi)容將在2.3節(jié)進(jìn)行介紹。

1.3 直流微電網(wǎng)儲能單元設(shè)計(jì)

基于移相全橋變換器的儲能單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，移相全橋變換器一端與蓄電池連接，另一端與直流母線連接。圖中，Lp為串聯(lián)在變壓器初級的外接電感；iL為流經(jīng)Lp的電流；up、us分別為高頻變壓器初級、次級端電壓；is為流經(jīng)變壓器次級電流；io、idc分別為移相全橋變換器輸出側(cè)濾波前與濾波后電流。為實(shí)現(xiàn)冗余功能，直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中使用多個儲能單元并聯(lián)至直流母線，這樣即使某個儲能單元發(fā)生故障，其余單元仍可正常工作并保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 基于移相全橋變換器的儲能單元Fig.2 Energy storage units based on phase-shifting full-bridge converter

由于移相全橋變換器具有高變壓比特點(diǎn)，使用移相全橋變換器連接蓄電池和直流母線時，蓄電池不需要過多串聯(lián)，在降低串聯(lián)蓄電池不平衡影響的同時，也有利于提高系統(tǒng)的冗余程度和實(shí)現(xiàn)儲能單元模塊化，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)維護(hù)難度。

2 移相全橋變換器工作原理與控制策略

2.1 恒壓下垂模式控制策略

當(dāng)儲能單元工作在恒壓下垂模式時，每個子單元可視作輸出電壓恒定的電壓源，此時蓄電池放電，能量從蓄電池側(cè)向網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)移。該模式下可對移相全橋變換器左側(cè)全橋進(jìn)行橋臂間移相，右側(cè)全橋則封鎖驅(qū)動信號。具體的調(diào)制波形如圖3所示，2組有一定移相角度的占空比為50%的互補(bǔ)驅(qū)動信號（帶有一定死區(qū)）分別施加在左側(cè)全橋V1、V2和V3、V4構(gòu)成的2個橋臂上，使得高頻變壓器初級在t0～t2和t3～t5時刻電壓分別為U1和-U1。次級感應(yīng)到幅值為±U2的交變方波電壓，右側(cè)全橋開關(guān)管中的反并聯(lián)二極管進(jìn)行不控整流，最終電能以直流形式輸出至直流母線。

圖4為儲能單元恒壓下垂控制策略，主要包含電壓電流閉環(huán)控制、下垂控制和蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）管理三部分。

首先，電壓給定信號與直流母線電壓uDC比較后減去變換器輸出電流與下垂系數(shù)的乘積，然后送至電壓PI調(diào)節(jié)器。電壓PI調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定信號并經(jīng)過限幅器，再與蓄電池當(dāng)前電流比較后送入電流PI調(diào)節(jié)器并輸出對應(yīng)移相驅(qū)動信號至左側(cè)橋臂開關(guān)管。

圖3 單側(cè)移相工作原理Fig.3 Theoretical waveforms of single-side phase-shifting

圖4 恒壓下垂控制策略Fig.4 Constant voltage droop control strategy

其中下垂控制相當(dāng)于人為增大變換器輸出阻抗，使其遠(yuǎn)大于線纜阻抗以及其他雜散參數(shù)，從而保證各儲能單元輸出功率的均衡。下垂控制原理可表示為［21］：

其中，為儲能單元的給定電壓參考值；I（n）為變換器n的輸出電流；K為各變換器對應(yīng)的下垂系數(shù)，可看作是一個虛擬電阻；為經(jīng)過下垂調(diào)節(jié)后的給定電壓參考值。

SOC管理通過測量蓄電池端電壓ubat和電流ibat獲取蓄電池當(dāng)前SOC，通過調(diào)節(jié)限流器幅值限制蓄電池的最大充、放電電流，使其SOC不超過所設(shè)置的上、下限。

關(guān)于蓄電池SOC的計(jì)算與控制管理方法較多，且并不是本文重點(diǎn)，在此不再贅述。

2.2 恒流模式控制策略

當(dāng)直流微電網(wǎng)母線電壓由其他單元穩(wěn)定時，儲能單元應(yīng)工作在電流模式，蓄電池根據(jù)SOC和系統(tǒng)指令進(jìn)行充電或放電。全橋移相控制可實(shí)現(xiàn)變換器兩側(cè)功率的雙向流動，與上一節(jié)的控制方式不同，此時變換器左右2個全橋同時工作，全橋內(nèi)不再進(jìn)行移相操作，每個全橋?qū)苁┘訋в幸欢ㄋ绤^(qū)的占空比為50%的互補(bǔ)驅(qū)動信號。

該控制方法通過對2個全橋開關(guān)管的移相調(diào)制，使高頻變壓器初級、次級產(chǎn)生具有一定相位差的方波電壓，并通過對電感Lp的充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。以蓄電池向直流微電網(wǎng)供電為例，具體的工作原理如圖5所示。在t0～t1時刻，電感電壓為U1+U2，電流快速上升，t1～t2時刻電感電壓為U1-U2，電流緩速上升；在t2～t4時刻，情況相反。

圖5 雙側(cè)移相工作原理Fig.5 Theoretical waveforms of double-side phase-shifting

移相全橋變換器雙側(cè)移相傳輸功率與移相角之間關(guān)系表達(dá)式［15］如下：

其中，β 為移相角；ω 為角頻率，ω=2πf；L為高頻變壓器漏感與外接電感Lp之和。

移相全橋變換器在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中以恒流模式工作時的控制策略如圖6所示。給定功率P*與變換器當(dāng)前輸出功率比較后經(jīng)由電壓PI調(diào)節(jié)器送至限幅器，其輸出作為蓄電池電流給定信號，與實(shí)際電流采樣信號ibat比較后送至電流PI調(diào)節(jié)器，之后輸出移相角調(diào)節(jié)量驅(qū)動兩側(cè)全橋開關(guān)管工作。其中，P*由中心控制器給出；限流器的大小由SOC管理模塊和中心控制器的限流指令共同決定，且取其中較小者。SOC的限流原理與上節(jié)類似，中心控制器的功率給定大小與限流指令則與系統(tǒng)中其他單元工作狀態(tài)有關(guān)，中心控制器依照各單元狀態(tài)決定蓄電池的充放電電流幅值，從而實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化管理［22］。

圖6 恒流控制策略Fig.6 Constant current control strategy

2.3 基于母線電壓信息的模式切換

基于母線電壓信息與微電網(wǎng)中心控制器電流指令的儲能單元模式切換方案如圖7所示。儲能單元的設(shè)定參考電壓與當(dāng)前母線電壓比較，當(dāng)母線電壓采樣值在設(shè)定值附近時，S=0，儲能單元將工作在恒壓下垂模式，并將直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值；當(dāng)儲能單元發(fā)出能量不足、母線發(fā)生跌落或分布式發(fā)電單元發(fā)出能量充足、母線電壓升高時，S=-1或S=1，此時蓄電池單元將工作在恒流模式，直流母線電壓依據(jù)電壓等級由其他對應(yīng)發(fā)電單元進(jìn)行穩(wěn)定。同時，儲能單元依據(jù)蓄電池SOC以及中心控制器的指令進(jìn)行限流放電或限流充電。

圖7 基于母線電壓信息的模式切換方案Fig.7 Operating modes switching method based on DC bus signaling

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證所提控制策略的有效性，搭建了基于移相全橋變換器的儲能單元實(shí)驗(yàn)平臺，其中移相全橋變換器額定功率1 kW，蓄電池側(cè)電壓48 V，直流母線側(cè)電壓400 V，雙側(cè)全橋開關(guān)頻率均為40 kHz。控制器采用基于Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407。

首先驗(yàn)證儲能單元在恒壓下垂模式與恒流模式穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況。在恒壓下垂模式中，如圖8（a）所示，移相全橋變換器初級線圈電壓us呈階梯形，次級線圈電壓up為±400 V方波電壓，直流母線電壓uDC被穩(wěn)定在400 V。在恒流模式中，如圖8（b）所示，移相全橋變換器初級與次級線圈電壓為方波并具有一定相移角，直流母線側(cè)輸出電流idc恒定。

圖8 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 Experimental waveforms of steady-state operation

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的暫態(tài)性能，組建了一個包含儲能單元、分布式發(fā)電單元、并網(wǎng)逆變器和用戶負(fù)載的基本直流微電網(wǎng)系統(tǒng)。其中使用2臺可編程電源模擬系統(tǒng)中分布式發(fā)電單元和并網(wǎng)變換器的發(fā)電情況，使用可編程直流電子負(fù)載模擬用戶側(cè)負(fù)載的用電情況。

選取2種情形驗(yàn)證儲能單元的暫態(tài)運(yùn)行情況，實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。圖9中，ies為儲能單元電流；idg為分布式發(fā)電單元輸出電流；igrid為并網(wǎng)變換器電流；iload為負(fù)載電流。在圖9（a）中，開始時分布式發(fā)電單元發(fā)出能量充足，直流微電網(wǎng)母線電壓由其穩(wěn)定在410 V，儲能單元限流充電，分布式發(fā)電單元發(fā)出功率、負(fù)載消耗功率和蓄電池充電功率分別為 1 400 W、1000 W和400 W；隨后，分布式發(fā)電單元發(fā)出能量不足，降至400 W，此時母線電壓開始下降，在降至400 V時，儲能單元根據(jù)母線電壓信息由電流模式切換到電壓模式，開始輸出能量并穩(wěn)定母線電壓。在圖9（b）中，開始時，儲能單元工作在恒壓模式，母線電壓由其穩(wěn)定在400 V，且其發(fā)出功率為800 W；隨后，由于限流指令使其切換至電流模式，輸出電流變小，輸出功率降至400 W，系統(tǒng)能量不足，母線電壓開始下降，在降至390 V時，并網(wǎng)變換器開始運(yùn)行并穩(wěn)定直流母線電壓，不足能量由電網(wǎng)提供。

圖9 系統(tǒng)暫態(tài)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 Experimental waveforms of transient operation

4 結(jié)語

本文根據(jù)直流微電網(wǎng)的組成、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性，設(shè)計(jì)了基于移相全橋變換器的直流微電網(wǎng)儲能單元控制策略及運(yùn)行模式切換方案。分析了移相全橋變換器工作在電壓模式與電流模式的控制原理，并結(jié)合儲能單元的運(yùn)行模式設(shè)計(jì)了對應(yīng)的控制策略。使用基于母線電壓信息的自主控制與系統(tǒng)中心控制器指令相結(jié)合的方式?jīng)Q定儲能單元的運(yùn)行模式切換。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，儲能單元可在穩(wěn)定工作在恒壓下垂模式與恒流模式，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)能量供需發(fā)生改變時，可依照直流母線電壓和電流指令在2個模式之間進(jìn)行切換。

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