基于多重化 DC/DC 變換器的儲(chǔ)能變流器研究

楊 濤，趙景濤，王前雙

(南瑞集團(tuán)，江蘇 南京 210003)

基于多重化 DC/DC 變換器的儲(chǔ)能變流器研究

楊 濤，趙景濤，王前雙

(南瑞集團(tuán)，江蘇 南京 210003)

為了滿足越來(lái)越大的儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模對(duì)大功率儲(chǔ)能變流器的需求，將多重化 DC/DC 變換器引入儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)多重化 DC/DC 變換器的電流紋波及諧波特性的分析表明其具有顯著優(yōu)勢(shì)。儲(chǔ)能變流器的控制策略加入基于直流母線電壓的下垂控制。對(duì)所研究的儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制策略進(jìn)行仿真并搭建樣機(jī)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的基于多重化 DC/DC 變換器儲(chǔ)能變流器性能具備大功率充放電的功能并且性能優(yōu)良。

光儲(chǔ)微電網(wǎng); 儲(chǔ)能變流器; 多重化 DC/DC 變換器; 下垂控制

0 引言

不可再生能源的過(guò)度使用及其帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題讓人們把目光更多地集中在以太陽(yáng)能為代表的分布式能源上。但是，分布式發(fā)電發(fā)展中存在著問(wèn)題和挑戰(zhàn)，例如，風(fēng)能、太陽(yáng)能本身存在隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，難以人工準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，能量輸出不穩(wěn)定等，大大削弱了分布式電源的作用[1-2]。

為了解決分布式電源與主電網(wǎng)間的矛盾，CERTS 率先提出微電網(wǎng)(Microgrid)的概念。微電網(wǎng)，是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護(hù)和管理的自治系統(tǒng)，一般由分布式電源、儲(chǔ)能裝置、功率變換裝置、負(fù)荷、監(jiān)控系統(tǒng)和保護(hù)裝置等部分組成，是智能電網(wǎng)的重要組成部分。微電網(wǎng)既可被視為大電網(wǎng)中的一個(gè)可控單元，滿足外部輸配電網(wǎng)絡(luò)的需求；也可以提供不間斷電源、保持本地電壓穩(wěn)定、降低饋線損耗、增加本地可靠性等[3-4]。要實(shí)現(xiàn)這些功能，微網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能部分顯得尤為重要。

微電網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能部分需要完成多種多樣的功能，儲(chǔ)能變流器的結(jié)構(gòu)、拓?fù)浼翱刂撇呗缘倪x擇至關(guān)重要。微電網(wǎng)系統(tǒng)中，光儲(chǔ)聯(lián)合微電網(wǎng)最為常見。因此，本文以光儲(chǔ)微電網(wǎng)為例，在研究各種類型儲(chǔ)能變流器拓?fù)涞幕A(chǔ)上選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)控制策略進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)以滿足光儲(chǔ)微電網(wǎng)的要求。

1 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究及特性分析

1.1 儲(chǔ)能變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

對(duì)蓄電池充放電設(shè)備來(lái)說(shuō)，雙向調(diào)控能力、蓄電池釋放能量的利用率以及良好的網(wǎng)測(cè)電流質(zhì)量這三項(xiàng)指標(biāo)是非常重要的。要滿足這三項(xiàng)指標(biāo)很大程度上有賴于網(wǎng)側(cè)整流器的性能。三相電壓型 PWM整流器因具有結(jié)構(gòu)及控制原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和新能源發(fā)電等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用儲(chǔ)能變流器 DC/AC 部分就采用這種拓?fù)洹?/p>

儲(chǔ)能變流器按照有無(wú) DC/DC 環(huán)節(jié)可以分為單級(jí)式和雙級(jí)式兩種，相比于單級(jí)式儲(chǔ)能變流器的電池電壓工作范圍窄、可靠性低、沖擊電流大等缺點(diǎn)，雙級(jí)式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)。但在大功率應(yīng)用場(chǎng)合，單臺(tái)儲(chǔ)能變流器容量過(guò)小時(shí)，會(huì)引入了多臺(tái)變流器并聯(lián)的問(wèn)題。從現(xiàn)階段研究現(xiàn)狀來(lái)看，單臺(tái) DC/AC逆變器的功率可以做到很大，甚至達(dá)到MW級(jí)，而單個(gè) DC/DC 變換器的容量受限于電力電子功率器件和所接電池容量的極限值等因素。因此，具備多電池組接入能力的雙級(jí)多 DC/DC 并聯(lián)式儲(chǔ)能變流器應(yīng)運(yùn)而生，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 多組電池接入的儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of storage converter for multiple battery access

這種拓?fù)錅p小了單臺(tái) DC/DC 的功率等級(jí)，降低了對(duì)電力電子器件功率等級(jí)的要求；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)電池組的獨(dú)立控制，避免環(huán)流出現(xiàn)；可以靈活配置電池系統(tǒng)的容量，實(shí)現(xiàn)電池組的靈活投切，方便運(yùn)行管理。

但大量的小容量 DC/DC 模塊的接入會(huì)引起系統(tǒng)損耗增大，能量轉(zhuǎn)化效率進(jìn)一步下降；并且協(xié)調(diào)控制也更復(fù)雜。因此，在總?cè)萘恳欢ǖ那闆r下，盡量增大每個(gè) DC/DC 模塊的功率可以減少數(shù)量，優(yōu)化控制。

為此采用了一種多重化 DC/DC 模塊的設(shè)計(jì)方案，利用幾個(gè)相同結(jié)構(gòu)的 Buck-Boost變換器通過(guò)相位錯(cuò)開構(gòu)成另一種復(fù)合型 DC/DC 變換器，以三重化為例，其主電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖2 三重化雙向 DC/DC 變換器Fig. 2 Three-phase interleaved bi-directional DC/DC converter

1.2 多重化 DC/DC 變換器特性分析

DC/AC 部分采用三相電壓型 PWM 整流器，這種拓?fù)涞男阅芊治鲆呀?jīng)很詳盡，不再贅述，著重對(duì)多重化 DC/DC 變換器拓?fù)涞奶匦赃M(jìn)行分析。

對(duì)于 m 重化 DC/DC 模塊的電流分析，約定單元變換器開關(guān)周期為，開關(guān)頻率為電感電流的直流分量為電路采用 PWM 調(diào)制方式，開關(guān)管開始導(dǎo)通時(shí)間互錯(cuò)若在一個(gè)開關(guān)周期中，m 個(gè)變換單元開關(guān)器件的占空比D 相同，那么每個(gè)電路電感電流是相位相差、波形完全相同的脈動(dòng)電流，m 重化總電流為 m 個(gè)單元電感電流的加和，以三重化拓?fù)錇槔?，電流波形如圖3所示。

圖3 電流波形圖Fig. 3 Current of inductance

下面從時(shí)域和頻域兩方面對(duì)多重化 DC/DC 變換器和單個(gè) DC/DC 變換器電流紋波進(jìn)行分析，導(dǎo)出了電流脈動(dòng)率比、諧波幅值與占空比D的定量表達(dá)式，為多重化 DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作點(diǎn)的選擇提供依據(jù)

1) 時(shí)域分析—電流脈動(dòng)率的分析

引入電流脈動(dòng)率r來(lái)描述電流的品質(zhì)因數(shù)，脈動(dòng)率定義為電流的紋波峰值與直流分量之比,如式(1)所示，這是單個(gè) DC/DC 變換器的電流脈動(dòng)率，在此基礎(chǔ)上可以引入多重化 DC/DC 變換器的電流脈動(dòng)率的表達(dá)式，如式(2)所示。

m 重化 DC/DC 變換器總電流與單個(gè) DC/DC 變換器電流脈動(dòng)率比可以表示為

其中，h取整數(shù)。可以看出，脈動(dòng)率比的大小與占空比有關(guān)，根據(jù)上式可以畫出 m=2,3,4 時(shí)的 K 與 D的關(guān)系圖，如圖4所示。

圖4 電流脈動(dòng)率 K 與占空比 D 的關(guān)系Fig. 4 Relationship between pulsation rate and duty cycle

2) 頻域分析—電流諧波分析

由于本論文采用的 DC/DC 工作在互補(bǔ)模式下，不存在電流斷續(xù)的狀況，因在研究電流諧波時(shí)，不予考慮。單個(gè) DC/DC 電感電流表達(dá)式為

將式(6)用 Fourier級(jí)數(shù)展開

其中：

單個(gè) DC/DC 模塊的電感電流諧波幅值如式(8)所示，根據(jù)此式，分別令 n=1, 2, 3, 4，可以得出圖5 所示的波形圖。再以三重化 DC/DC 為例，電感電流的諧波幅值變?yōu)榱?n=1, 2, 3，可以得出圖6 所示的波形圖。

圖5 單個(gè) DC/DC 諧波幅值與占空比 D 的關(guān)系Fig. 5 Relationship between harmonic amplitude and duty cycle of single DC / DC

圖6 三重化 DC/DC 諧波幅值占空比 D 的關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between harmonic amplitude and duty cycle of three-phase interleaved bi-directional DC/DC

綜合以上時(shí)域和頻域內(nèi)的理論分析及圖形分析均表明，在相同的調(diào)制方式下，n 重化雙向 DC/DC變換器與單個(gè) DC/DC 變換器相比，開關(guān)頻率變?yōu)槠?n倍，電流紋波及諧波明顯減小。一般地，對(duì)于 n 重化 DC/DC 變換器來(lái)說(shuō)，最好將開關(guān)管占空比設(shè)定在附近，因?yàn)樽儞Q器總電流的紋波及其諧波在處為最小值。在電流紋波及其諧波要求比較嚴(yán)格及大功率的場(chǎng)合，多重化 DC/DC 變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 控制策略研究

現(xiàn)階段基于光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)控制開展的研究?jī)?nèi)容主要有通過(guò)接受配調(diào)的調(diào)度，實(shí)現(xiàn)與大電網(wǎng)潮流交換的可控；開展智能微網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行雙模式運(yùn)行能力的研究等。具體來(lái)說(shuō)，主要是以下三個(gè)方面：

1) 功率平滑控制

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)機(jī)械部件，通過(guò)控制電力電子器件來(lái)調(diào)節(jié)輸入/輸出功率，啟停迅速、運(yùn)行靈活可靠，且能大范圍調(diào)整出力，具有很好的負(fù)荷跟蹤控制性能，可對(duì)分布式電源輸出功率的瞬時(shí)及短時(shí)間變化迅速做出反應(yīng)，能夠適應(yīng)分布式電源功率的急劇變化，保證電能質(zhì)量的穩(wěn)定。

2) 削峰填谷

利用分段電價(jià)，在負(fù)荷低谷電價(jià)較低時(shí)儲(chǔ)存電能，在負(fù)荷高峰電價(jià)較高時(shí)釋放電能，其中的差價(jià)可以補(bǔ)償電池儲(chǔ)能系統(tǒng)建設(shè)時(shí)的成本，提高電池利用率，提高經(jīng)濟(jì)性。

3) 離網(wǎng)運(yùn)行控制

當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)存在故障或電能質(zhì)量不滿足并網(wǎng)要求時(shí)，微網(wǎng)與主網(wǎng)斷開并獨(dú)立運(yùn)行，此時(shí)稱為孤島運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)充當(dāng)組網(wǎng)電源為負(fù)荷供電，要求輸出電壓和頻率完全符合用電負(fù)荷的要求。

要實(shí)現(xiàn)以上的功能，需要為儲(chǔ)能變流器設(shè)計(jì)合適的控制策略。

2.1 并網(wǎng)模式下的控制策略

并網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能在微網(wǎng)中承擔(dān)功率平滑及削峰填谷的功能，需要及時(shí)響應(yīng)微網(wǎng)系統(tǒng)的功率指令，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，并網(wǎng)模式下，DC/AC 變流器處于整流或逆變狀態(tài)，完成電網(wǎng)能量交互的同時(shí)負(fù)責(zé)控制直流側(cè)電壓的恒定；DC/DC 單電流環(huán)控制，通過(guò)控制蓄電池的沖放電功率來(lái)響應(yīng)系統(tǒng)給定的指令?？刂瓶驁D如7所示。

圖7 DC/DC 恒流模式下的儲(chǔ)能變流器整體控制框圖Fig. 7 Control block of storage converter under constant current mode

在此模式下 DC/DC 采用的單電流閉環(huán)每路電流給定相同，通過(guò) PI調(diào)節(jié)后的第一路脈沖信號(hào)維持原樣，第二路信號(hào)延遲 2 π/3個(gè)開關(guān)周期，第三路信號(hào)延遲 4 π/3個(gè)開關(guān)周期，用延遲后的這三路信號(hào)分別觸發(fā)開關(guān)器件，使實(shí)際電流跟蹤指令電流的同時(shí)也使每個(gè)電感上電流滿足三重化的要求。

DC/AC 變流器采用的是基于網(wǎng)側(cè)電壓的電壓定向控制(VOC)。電壓定向控制采用直流電壓外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，電壓外環(huán)可以維持中間直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行電流控制。通過(guò)電壓電流雙閉環(huán)控制，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

2.2 離網(wǎng)模式下的控制策略

離網(wǎng)模式下，DC/AC 變流器充當(dāng)組網(wǎng)電源，穩(wěn)定交流側(cè)電壓的幅值和頻率。因此，可以采用 V/f控制控制框圖如 8 所示。交流電壓外環(huán)可以起到穩(wěn)定交流側(cè)電壓的作用，電壓外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定，響應(yīng)系統(tǒng)的功率變化。

離網(wǎng)模式下，電網(wǎng)失電，儲(chǔ)能變流器的 DC/AC變流器不再具備穩(wěn)定中間直流側(cè)電壓的能力，直流側(cè)電壓需要由 DC/DC 變換器穩(wěn)定，但考慮到各模塊自動(dòng)均流、抑制環(huán)流等因素，本文將下垂控制引入 DC/DC 變換器的控制即離網(wǎng)模式下 DC/DC變換器均采用下垂控制，控制框圖如9所示。

圖8 DC/AC 變流器 V/f控制框圖Fig. 8 V/f control block diagram of DC/AC converter

圖9 離網(wǎng)模式下的 DC/DC 下垂控制框圖Fig. 9 Droop control block of DC/DC converter under off-grid mode

下垂控制的原理是在 DC/DC 控制策略中寫入“直流側(cè)電壓感電流下垂曲線，令控制過(guò)程中電感電流給定值根據(jù)直流側(cè)電壓的大小按照設(shè)定好的下垂曲線自動(dòng)調(diào)節(jié)來(lái)響應(yīng)功率給定。下垂控制包括下垂充電模式、下垂放電模式兩種，設(shè)定的下垂曲線如圖10所示。

圖10 下垂控制曲線Fig. 10 Droop control graph

本文對(duì)下垂控制進(jìn)行了修改，使充電模式和放電模式的電壓區(qū)間是復(fù)用的，這大大降低了所需要的電壓調(diào)節(jié)范圍，只需要在控制時(shí)根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)聯(lián)合判定即可確定工作曲線。

1) 下垂放電模式(曲線 A)

2) 下垂充電模式(曲線 B)

與其他控制方法相比，DC/DC 下垂控制有很多優(yōu)點(diǎn)：

1) 下垂控制中，設(shè)定好下垂曲線后，各支路的工作模式和電流會(huì)根據(jù)的值自動(dòng)調(diào)整。

2) 每個(gè) DC/DC 模塊可以有自己獨(dú)立的下垂曲線，所有的下垂曲線復(fù)用相同的電壓區(qū)間，通過(guò)對(duì)每條曲線設(shè)置不同的充放電基準(zhǔn)電流，可以有目的地實(shí)現(xiàn)功率在每條支路之間的比列分配。

3 仿真研究

為了驗(yàn)證上述控制策略的可行性，在 Matlab 仿真系統(tǒng)中搭建了模型，分別對(duì)并網(wǎng)和離網(wǎng)模式下儲(chǔ)能變流器的控制策略進(jìn)行仿真。

3.1 并網(wǎng)模式下的控制策略仿真

在并網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能在微網(wǎng)中主要承擔(dān)功率平滑及削峰填谷的功能，儲(chǔ)能變流器需要及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)下發(fā)的功率指令。

因此在仿真中，給定功率動(dòng)態(tài)變化，變流器響應(yīng)波形如 11所示?？梢钥闯?，儲(chǔ)能變流器在并網(wǎng)模式的控制策略下，能夠響應(yīng)功率給定。注入功率和響應(yīng)功率存在一定的差額的主要原因是注入功率瞬時(shí)變化太大，變流器的響應(yīng)有滯后。

圖11 恒流模式下儲(chǔ)能變流器功率響應(yīng)圖Fig. 11 Power response figure of storage converter under constant current mode

儲(chǔ)能變流器中 DC/DC 部分電感電流、DC/AC部分直流側(cè)電壓如圖12所示?？梢钥闯?，復(fù)合電流相比于單支路電感上的電流，頻率變?yōu)?倍，電流紋波峰值削減很多，實(shí)現(xiàn)了 DC/DC 主電路結(jié)構(gòu)多重化設(shè)計(jì)的功能；中間直流側(cè)電壓基本保持恒定，在儲(chǔ)能變流器功率變化很大時(shí)，電壓跌落明顯，但在電壓環(huán) PI調(diào)節(jié)的作用下，迅速恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 離網(wǎng)模式下的控制策略仿真

DC/AC 變流器采用 V/f控制，這樣的控制既起到穩(wěn)定交流側(cè)電壓的作用又可以響應(yīng)交流聯(lián)絡(luò)線的功率變化；DC/DC 變換器采用下垂控制，并加入SOC 反饋控制，實(shí)現(xiàn)功率在 DC/DC 模塊間合理分配的同時(shí)控制直流側(cè)電壓。

仿真模型中交流側(cè)接可調(diào)負(fù)載，負(fù)載功率在0.15 s、0.3 s 突變，負(fù)載功率變化及變流器功率響應(yīng)特性如圖13—圖15 所示。

圖12 儲(chǔ)能變流器性能圖Fig. 12 Performance chart of storage converter

圖13 負(fù)載功率變化及儲(chǔ)能變流器響應(yīng)Fig. 13 Changes in load power and the response of energy storage converter

圖14 交流側(cè)電壓電流波形Fig. 14 Voltage and current of AC-side

圖15 直流側(cè)電壓波形Fig. 15 Voltage of DC-side

從圖中可以看出，離網(wǎng)模式下，變流器通過(guò) V/f控制，建立了幅值、頻率滿足要求的交流電壓；變流器能夠跟蹤負(fù)載功率的變化，并保持交流電壓的穩(wěn)定；負(fù)載切換后，DC/DC 模塊根據(jù)設(shè)定的下垂控制，尋找新的工作點(diǎn)并重新穩(wěn)定。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證以上控制策略的可行性，搭建如圖16所示的儲(chǔ)能變流器功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。儲(chǔ)能變流器由 3臺(tái) 75 kW 三重化 DC/DC 變換器和一臺(tái) 500 kW DC/AC 變流器組成。由于所需電池容量很大，條件有限，用一臺(tái) 500 kW 變流器代替電池組，即平臺(tái)中所示直流源。直流源采用雙閉環(huán)控制，直流側(cè)電壓穩(wěn)定，用來(lái)充當(dāng)電壓穩(wěn)定的電池組。通過(guò)切換斷路器狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的并離網(wǎng)運(yùn)行。

電池放電時(shí)，能量自左向右流動(dòng)，直流源工作在整流狀態(tài)，儲(chǔ)能變流器工作于逆變狀態(tài)；電池充電時(shí)，能量自右向左流動(dòng)，直流源工作在逆變狀態(tài)，儲(chǔ)能變流器工作于整流狀態(tài)。

圖16 儲(chǔ)能變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig. 16 Experimental platform of storage converter

4.1 并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

1) 單個(gè) DC/DC 模塊滿功率充電實(shí)驗(yàn)：直流源設(shè)定為雙閉環(huán)控制，電池側(cè)電壓為 500 V；DC/DC滿功率運(yùn)行，充電電流設(shè)定為-150 A(充電為負(fù))；DC/AC 變流器雙閉環(huán)運(yùn)行，直流側(cè)電壓給定為 600 V。DC/DC 實(shí)驗(yàn)波形如圖17 所示。

圖17 DC/DC 滿功率充電實(shí)驗(yàn)波形Fig. 17 Experimental waveforms at full power charge

圖(a)中，CH1：電池側(cè)電壓，CH2：直流側(cè)電壓，CH3：電池側(cè)電容電流，CH4：三路電感電流之和。圖(b)中，CH1-CH3 為 DC/DC 模塊三路電感電流，CH4：三路電感合成電流。由于電流探頭本身問(wèn)題及示波器受開關(guān)管動(dòng)作影響，波形中三路電感合成電流存在高次諧波，但波形總體呈三角波。

可以看出，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在 600 V，與給定相符，DC/AC 變流器的雙閉環(huán)起到了穩(wěn)定直流側(cè)電壓的作用；單路電感電流周期為 100 μs，轉(zhuǎn)換成頻率為 10 kHz，電流波形的占空比約為 5/6，和給定的電池側(cè)電壓與直流側(cè)電壓的比例相同；三路電流基本平均分配；三路電感電流互差，合成后的電流頻率為 30 kHz，紋波大大減小，電流特性與理論分析相同，達(dá)到了三重化設(shè)計(jì)的效果?？傠娏髦禐?151 A，與給定基本相同，充電電流較好地跟蹤了電流指令。

2) DC/DC 滿功率恒流放電試驗(yàn)

放電電實(shí)驗(yàn)時(shí)，電池側(cè)電壓設(shè)定為 500 V；DC/AC 變流器雙閉環(huán)運(yùn)行，直流側(cè)電壓為 700 V；DC/DC 滿功率運(yùn)行，放電電流設(shè)定為 150 A。DC/DC實(shí)驗(yàn)波形如圖18所示。

圖18 DC/DC 滿功率放電實(shí)驗(yàn)波形Fig. 18 Experimental waveforms at full power discharge

其中，CH1-CH3 為 DC/DC 模塊三路電感電流，CH4：三路電流和。

3) DC/AC 變流器并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)：分別設(shè)定儲(chǔ)能變流器為放電狀態(tài)、充電狀態(tài)，功率給定都為 100 kW，直流側(cè)電壓設(shè)為 800 V，測(cè)得的 DC/AC 變換器電壓電流波形如 19所示。

圖19 網(wǎng)側(cè)電壓電流Fig. 19 Grid-side voltage and current

其中，CH1(200 V 每格)：A 相電壓；CH2(200 V每格)：直流側(cè)電壓；CH3(200 A 每格)：A 相電流。電流方向以逆變?yōu)檎?/p>

可以看出，直流側(cè)電壓穩(wěn)定在 800 V，與設(shè)定相同。放電狀態(tài)下，電壓電流同相位，功率因數(shù)約為+1；充電模式下，電壓電流相位相反，功率因數(shù)約為-1。

4) 下垂曲線校對(duì)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，直流源將電池側(cè)電壓穩(wěn)定在 500 V；DC/DC 模塊采用下垂控制，充放電基準(zhǔn)電流均設(shè)置為 150 A；DC/AC 變流器采用單電流環(huán)控制，并網(wǎng)運(yùn)行，通過(guò)改變電流給定來(lái)調(diào)節(jié)儲(chǔ)能變流器的輸出功率，檢測(cè) DC/DC 變換器的電感電流和直流側(cè)電壓，來(lái)判斷 DC/DC 是否按照設(shè)置好的下垂曲線運(yùn)行。得到直流側(cè)電壓、電感電流波形工作點(diǎn)分布如圖20所示，其中，電流和功率均以放電方向?yàn)檎？梢钥闯?，下垂?shí)驗(yàn)實(shí)際工作點(diǎn)跟蹤了曲線變化，DC/DC 變換器能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)工作點(diǎn)來(lái)響應(yīng)功率變化，不同功率對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定點(diǎn)與理論分析基本相同，實(shí)現(xiàn)了下垂控制的目標(biāo)。

圖20 下垂實(shí)驗(yàn)工作點(diǎn)分布圖Fig. 20 Point distribution in the experiment under droop control

5) 不同模塊下垂控制的自動(dòng)均流效果測(cè)試

同時(shí)啟動(dòng) DC/DC 模塊 1、2、3，三個(gè)模塊的充放電電流基準(zhǔn)值均設(shè)為 100 A，DC/AC 變流器單電流環(huán)運(yùn)行，放電功率 15 kW，根據(jù)理論計(jì)算，三模塊電池側(cè)電流應(yīng)穩(wěn)定在 10 A，中間直流電壓應(yīng)穩(wěn)定在 840 V，實(shí)驗(yàn)波形如圖21 所示。

圖21 不同模塊間均流效果Fig. 21 Current average effect between different modules

其中，CH1：模塊 1 電池側(cè)電流，CH2：模塊2 電池側(cè)電流，CH3：模塊 3 電池側(cè)電流，CH4：中間直流電壓。

從圖中可以看出，三個(gè) DC/DC 模塊電池側(cè)電流均在 10 A 左右，直流電壓為 842 V，實(shí)際運(yùn)行情況與理論計(jì)算相符，電壓、電流偏符合設(shè)計(jì)要求，三個(gè)模塊均流效果良好。

4.2 離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

離網(wǎng)模式下，DC/DC 變換器采用下垂控制，DC/AC 變流器采用 V/f控制，測(cè)試實(shí)驗(yàn)得到的波形如 22所示。

圖22 離網(wǎng)模式下網(wǎng)側(cè)電壓電流Fig. 22 Network side voltage and current under off-grid mode

其中：CH1(100 V/格)：A 相電壓；CH2(100 V/格)：B 相電壓；CH3(200 A/格)：A 相電流。

可以看出，變流器離網(wǎng)空載運(yùn)行時(shí)，交流側(cè)相電壓穩(wěn)定在 220 V；投入 120 kW 負(fù)載后，交流側(cè)電壓產(chǎn)生跌落，經(jīng)過(guò) 2-3 周期的調(diào)節(jié)又恢復(fù)到正常。

5 結(jié)論

隨著電池儲(chǔ)能技術(shù)的飛速發(fā)展，儲(chǔ)能變流器的功率等級(jí)也在迅速擴(kuò)大，傳統(tǒng)的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已不能滿足要求，因此采用了雙級(jí)多 DC/DC 并聯(lián)式的拓?fù)?。每個(gè) DC/DC 模塊采用多重化的設(shè)計(jì)，優(yōu)化了電流紋波及其諧波；逆變部分采用原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的三相電壓型 PWM 整流器。通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)/離網(wǎng)不同工況下的功能研究制定相應(yīng)的控制策略，并將下垂控制及 SOC 反饋控制引入到控制中。所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能變流器在完成正常功能的同時(shí)，自身的運(yùn)行特性也非常良好。

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(編輯 葛艷娜)

Research on power conversion system based on interleaved DC/DC converter

YANG Tao, ZHAO Jingtao, WANG Qianshuang
(NARI Group Corporation, Nanjing 210003, China)

In order to meet the demand of power conversion system with the increasing scale of high-power energy storage system, the interleaved DC/DC converter is used in the topology of high power conversion system. It is found that the interleaved DC/DC converter has a significant advantage in the current ripple and harmonic by analyzing the characteristic of the DC/DC converter. The droop control is added to the control strategy of the power conversion system. The simulation model and experimental prototype about the topology and control strategy of power conversion system are built. The results demonstrate the proposed converter has large power charge/discharge function with good performance.

photovoltaic/battery micro-grid system; power conversion system; interleaved DC/DC converter; droop control

10.7667/PSPC151773

：2016-03-21

楊 濤(1989-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)發(fā)電；E-mail: yangtao1@sgepri.sgcc.com.cn

趙景濤(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾履?源 并 網(wǎng) 發(fā) 電 及 電 能 質(zhì) 量 治 理 ； E-mail: zhaojingtao@ sgepri.sgcc.com.cn

王前雙(1985-)，男，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉床⒕W(wǎng)發(fā)電。E-mail: wangqianshuang@sgepri.sgcc.com.cn