基于雙向直流變換器的一種直流儲能系統(tǒng)

李治中，哈立原（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)工程系，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

基于雙向直流變換器的一種直流儲能系統(tǒng)

李治中*，哈立原
（錫林郭勒職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)工程系，內(nèi)蒙古錫林浩特026000）

隨著風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，基于電網(wǎng)能量的儲能系統(tǒng)開發(fā)和研究越來越受到大家的關(guān)注，提出了一種雙半橋雙向直流變換器，并給出了相應(yīng)的移相控制策略，對正向升壓和反向降壓兩種工作模式下的穩(wěn)態(tài)工作性能進行仿真驗證，并設(shè)計了實驗樣機，驗證了雙半橋雙向直流變換器的工作模態(tài)及控制策略，仿真及實驗結(jié)論表明：雙半橋雙向直流變換器在經(jīng)歷負載突變和輸入電壓突變過程中，能夠快速的恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)微電網(wǎng)的實時調(diào)節(jié)。

直流儲能系統(tǒng)；雙向直流變換器；雙半橋；移相控制

隨著新能源技術(shù)的快速發(fā)展，以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電為代表的可再生能源日益涌現(xiàn)，基于分布式發(fā)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)的電網(wǎng)技術(shù)受到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，雖然風(fēng)電和光伏發(fā)電具有良好的應(yīng)用前景，但是其本身受環(huán)境影響很大，不能提供持續(xù)穩(wěn)定電能供應(yīng)，為此，基于電網(wǎng)能量的儲能系統(tǒng)開發(fā)和研究越來越受到大家的重視和關(guān)注［1-3］。

微電網(wǎng)中的儲能系統(tǒng)可以管理分布式發(fā)電設(shè)備發(fā)出的短周期擾動能量，當(dāng)發(fā)電設(shè)備輸入大于需求的時候，儲能系統(tǒng)向電網(wǎng)補充能量，當(dāng)發(fā)電設(shè)備輸出大于輸入時候，儲能系統(tǒng)吸收剩余能量，當(dāng)發(fā)電設(shè)備輸出大于輸入時候，儲能系統(tǒng)吸收多余能量，確保電網(wǎng)內(nèi)功率能量的動態(tài)平衡［4-5］。

國內(nèi)外學(xué)者對于電力儲能系統(tǒng)的研究主要分為兩個方面［6-8］，第1個方面是關(guān)于儲能裝置的研究，第2個方面是關(guān)于儲能裝置中變流器系統(tǒng)的研究，變流器連接儲能裝置和電網(wǎng)，用來完成兩側(cè)的能量轉(zhuǎn)化，并且對電能質(zhì)量進行控制，傳統(tǒng)的直流變流器不具備有源濾波功能，同時對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)具有明顯的延遲作用，為此，本文基于微電網(wǎng)的特征，提出一種適用于微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的雙半橋雙向直流變換器。

1　拓撲電路描述及控制策略

1.1拓撲電路描述

雙半橋雙向直流變換器電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含左側(cè)的升壓半橋電路，中間的繞組高頻變壓器，以及右邊的電壓型半橋電路，從圖1中可以看到，雙向直流變換器兩端分別為高壓和低壓端，可以在兩種模式下工作，保證能量能夠雙向流動，開關(guān)管S1和S2，S3和S4互補導(dǎo)通，當(dāng)S1超前導(dǎo)通于S3時，變換器工作在正向升壓模式，反之工作在反向降壓模式，通過S1和S3的導(dǎo)通相位來保證能量雙向流動，另外變換器高壓側(cè)輸出連接直流負載。

圖1　雙半橋雙向直流變換器主電路拓撲

1.2控制策略

本文的變換器采用了全橋移相軟開關(guān)技術(shù)，以恒定頻率PWM方式工作，在功率器件開關(guān)過程中發(fā)生諧振，使其工作在軟開關(guān)狀態(tài)，整合了PWM變換器和諧振變換器的優(yōu)點，實現(xiàn)了功率管的 ZVS（Zero-Voltage Switch）工作方式［9］，下面分別對兩種工作模式下的控制策略進行分析。

圖2　正向模式中穩(wěn)態(tài)工作時電壓、電流的波形

圖2為雙半橋雙向直流變換器在正向升壓工作模式下的電壓和電流波形，當(dāng)主開關(guān)管關(guān)斷時，電流對諧振電容充放電，使得開關(guān)管在ZVS下關(guān)斷。而開關(guān)管的ZVS導(dǎo)通是在和它反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通期間來開通開關(guān)管來實現(xiàn)的。從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在正向模式下ZVS通斷的條件主要取決于在 t1，t5，t7，t11時刻電流 Ir1和 Id1的值，如下所示：

從以上分析可以發(fā)現(xiàn)，4個MOSFET工作在ZVS狀態(tài)下，通過改變半橋之間的相移來實現(xiàn)功率的傳輸?shù)恼{(diào)節(jié)控制，反向工作模式下的控制策略與正向工作模式類似，區(qū)別在于S3和S4的驅(qū)動信號在相位上超前S1和S2的驅(qū)動信號。反向模式下ZVS通斷的條件也取決于在t1，t5，t7，t11時刻電流Ir1和Id1的值，如下所示：

2　仿真及分析

本文采用Saber2012軟件對雙半橋雙向直流變換器在正向升壓和反向降壓兩種工作模式下的穩(wěn)態(tài)工作性能進行仿真驗證［10］，表1給出了變換器的相關(guān)參數(shù)。

表1　雙半橋雙向直流變換器仿真參數(shù)設(shè)置

圖3為雙半橋雙向直流變換器在正向模式下的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，變換器低壓側(cè)和高壓側(cè)的半橋電路分別在變壓器副邊生成兩個方波電壓Vr12和Vr34，其中原邊電壓Vr12的相位超前副邊電壓Vr34，儲能裝置和超級電容器之間處于放電狀態(tài)，電感電流Idc1＞0，通過改變高低壓側(cè)方波電壓之間的移相角，從而改變變換器傳輸?shù)哪芰俊?/p>

圖3　雙半橋雙向直流變換器在正向升壓模式的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形

雙半橋雙向直流變換器在反向模式下的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形如圖4所示，從圖4可以看出，副邊電壓Vr34相位超前于原邊電壓Vr12，儲能裝置和超級電容器處于充電狀態(tài)，電感電流 Idc1＜0。

圖4　雙半橋雙向直流變換器在反向降壓模式的穩(wěn)態(tài)工作仿真波形

3　實驗分析

為了驗證雙半橋雙向直流變換器的工作模態(tài)及控制策略，本文設(shè)計了實驗樣機，具體參數(shù)如下所示。

表2　樣機參數(shù)表

圖5為負載突變時正向升壓和反向降壓的電路工作波形，從圖5可以看出經(jīng)過短暫瞬態(tài)后系統(tǒng)便達到穩(wěn)態(tài)；圖6為輸入電壓突變時正向升壓和反向降壓的電路工作波形，從圖中可以看到，無論輸入電壓降低或升高，電路工作波形都能在0.05 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)運行。圖7為不同輸入電壓下的變換器效率隨輸出功率的變化曲線，從圖7可以看到，隨著輸出功率的增加，輸入電壓對變換器效率的影響顯著不同，這是由于隨著輸出功率的增大，一方面促使變換器各開關(guān)管的開關(guān)損耗減少，但同時電流的峰值也增大，因此變換器的導(dǎo)通損耗增大，兩種損耗在不同的輸入電壓下對效率的影響不同，導(dǎo)致上述的原因的產(chǎn)生。

圖5　負載突變時電路的工作波形

圖6　輸入電壓突變時電路的工作波形

圖7　不同輸入電壓下的變換器效率隨輸出功率的變化曲線

4　結(jié)論

本文提出了一種雙半橋雙向直流變換器，并給出了相應(yīng)的移相控制策略，通過仿真分析及實驗結(jié)果，得到如下結(jié)論：

（1）雙半橋雙向直流變換器通過改變高低壓側(cè)方波電壓之間的移相角，從而改變變換器傳輸?shù)哪芰俊?/p>

（2）雙半橋雙向直流變換器在經(jīng)歷負載突變和輸入電壓突變過程中，系統(tǒng)能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。

（3）隨著輸出功率的增加，輸入電壓對雙半橋雙向直流變換器效率的影響顯著不同。

［1］ McDowall J.Conventional Battery Technologies-Present and Future［J］.Proc PES'00，2000（7）：1538-1540.

［2］ 程華，徐政.分布式發(fā)電中的儲能技術(shù)［J］.高壓電器，2013，39 （3）：53-56.

［3］ 宣傳，徐慧芳，解光軍.CCM模式下非理想Buck變換器的建模與仿真［J］.電子器件，2012（1）：70-74.

［4］ Peng Fangzheng.Z-Source Inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Application，2012，39（2）：16-21.

［5］ Poh Chiang Loh，Mahinda Vilathgamuwa D，Yue Sen Lai.Pu1se-Width Modulat ion of Z-Source Inverters［J］.IEEE Transactions on Industry Application，2004，17（2）：81-83

［6］ 金科，阮新波.零電壓開關(guān)多諧振三電平直流變換器［J］.中國電機工程學(xué)報，2004，24（12）：29-33.

［7］ Jin Ke，Ruan Xinbo.Zero-Voltage-Switching Multi-Resonant Three-Level Converters［J］.Proceedings of the CSEE，2004，24 （12）：29-33.

［8］ 李彥林，王明彥，鄭載滿.基于諧振控制的微電網(wǎng)儲能變流器多目標(biāo)控制策略［J］.電力自動化設(shè)備.2014（3）：65-71.

［9］ Hua BaiZiling Nie C C.Mi.Experimental Comparison of Traditional Phase-S hift，Dual-Phase-S hift，and Model-based Control of Isolated Bidirectional DC-DC Converters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010（9）：78-83.

［10］邢維巍，樊尚春，蔡晨光.低噪聲無偏置電壓-電流變換器［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011（10）：81-86.

李治中（1963-），男，漢族，河北張家口人，碩士，副教授，錫林郭勒職業(yè)學(xué)院信息技術(shù)工程系，主要研究方向為物理教學(xué)；

哈立原（1964-），男，回族，內(nèi)蒙古赤峰人，碩士，教授，錫林郭勒職業(yè)學(xué)院、研究方向為數(shù)學(xué)教學(xué)，dajian163.com。

A DC Energy Storage System Based on Bi-Directional DC-DC Converter

LI Zhizhong*，HA Liyuan
（Information Technology Engineering Department，Xilingol Vocational College，Xilingguole，Inner Mongolia 026000，China）

With the rapid development of wind power and photovoltaic power generation technology，energy storage systems based on grid energy research and development lead tomore andmore people's attention，a two-way dual half-bridge DC-DC converter，and the corresponding shift control strategy are presented，the steady-state performances of the forward and reverse boostbuck of two modes of operation are carried outunder simulation and experimental prototype is designed to verify the dual half-bridge bidirectional DC converter operatingmodes and control strategies.The simulation and experimental results show that two half-bridge DC-DC converter in a two-way experiencemutation load and inputvoltagemutation process can quickly restore homeostasis and achieve real-time adjustmentmicrogrid.

DC energy storage system；bi-directionalDC-DC converter；two halfbridge；phase-shifting control

TM 46

A

1005-9490（2016）04-0984-04

2015-07-29修改日期：2015-09-17

EEACC:129010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.043