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    基于Simulink的三相交錯式DC/DC的設(shè)計及仿真

    2018-04-04 02:02:43凌雷鳴劉培哲龐玲玉
    關(guān)鍵詞:恒流恒壓傳遞函數(shù)

    凌雷鳴,劉培哲,龐玲玉,陶 成

    (1.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.江蘇鎮(zhèn)安欣潤電力科技有限公司,江蘇 南京 210000)

    目前,圍繞以“綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源”的方針政策,在全國各地建立了眾多的分布式電站。在分布式電站中增加儲能裝置成為了保證電力系統(tǒng)運行安全可靠的重要手段,同時在多機并網(wǎng)以及平滑功率波動等方面,儲能裝置也發(fā)揮著極為重要的作用。近年來國內(nèi)外專家就雙向變流器的拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略以及運行模式進行了大量的分析研究[1]。以圖1為系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的PCS為例,著重對多重化DC/DC的控制策略、電壓電流雙閉環(huán)PI控制算法及參數(shù)設(shè)計等進行詳細說明并對整個系統(tǒng)進行Simulink仿真。

    1 三相DC/DC交錯并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)

    在對雙向DC/DC進行設(shè)計的過程中,為減小電流紋波,通常會選用較大的電抗器,這就直接導(dǎo)致了電抗器體積和重量的增加,同時也增加了設(shè)備成本。采用交錯并聯(lián)的方式,可以使得各相的電流紋波互相疊加,從而降低總的紋波電流,也就是說,在總紋波電流不變的情況下,采用交錯并聯(lián)能有效減小電抗器參數(shù),即減小了電抗器體積及重量[2]。交錯并聯(lián)DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    2 雙向DC/DC控制器信號的數(shù)學(xué)模型

    由圖2可見,采用交錯并聯(lián)的DC/DC可以看成是三個單相的DC/DC疊加所得,相間控制信號錯開120°,于是可以按照單相DC/DC對控制器的參數(shù)進行設(shè)計[3]。通過查閱文獻[4]可知DC/DC的小信號模型如下:

    (1)

    其中vC2為電池電壓的波動部分,U2為電池電壓的直流部分,Rs為電池內(nèi)阻對式1進行拉氏變換,可以得到電感電流iL和低壓側(cè)電壓vC2對占空比d的傳遞函數(shù)如式(2)。

    (2)

    參考式(2)對控制器進行參數(shù)設(shè)置,采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略,控制原理如圖2所示。

    其中,Vref與Iref分別電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的給定值,Gcv(s)和Gci(s)分別為電壓環(huán)和電流環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù),Hv(s)和Hi(s)分別為電壓和電流負反饋的傳遞函數(shù),GPWM(s)為PWM調(diào)節(jié)器,Gid(s)為電感電流iL對占空比d的傳遞函數(shù),Z(s)為電感電流iL到輸出電壓的傳遞函數(shù)。儲能系統(tǒng)在恒定電流運行模式下僅有電流內(nèi)環(huán),當(dāng)處于恒壓充電時才引入電壓外環(huán)。

    2.1 恒流模式控制器設(shè)計及仿真

    儲能系統(tǒng)恒流運行模式包括恒流充電和恒流放電,其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    (3)

    在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度直接影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度,因此設(shè)計電流控制器的穿越頻率為開關(guān)頻率的1/10[5],即ωi=0.64 kHz,相位裕度取86°,應(yīng)用Matlab,對系統(tǒng)傳函進行設(shè)計得到電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)如下:

    (4)

    在Matlab中搭建Simulink仿真模型,對電流環(huán)參數(shù)進行驗證,在t=0時刻電流為0 A;在t=0.5時刻電流為250 A,其仿真結(jié)果見圖4。

    2.2 恒壓模式控制器設(shè)計及仿真

    在恒流模式的基礎(chǔ)上增加一電壓反饋回路,恒壓模式的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

    (5)

    電感電流到電容電壓的傳遞函數(shù)為:

    (6)

    無電壓外環(huán)控制器時系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

    (7)

    加入電壓外環(huán)控制器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為:

    (8)

    加入電壓外環(huán)PI控制器后,設(shè)定其開環(huán)的截止頻率為電流內(nèi)環(huán)的1/20,即ωv=32 Hz,相位欲度為95°,應(yīng)用Matlab,對系統(tǒng)傳函進行設(shè)計得到電壓外環(huán)的PI參數(shù)如下:

    (9)

    在Matlab中搭建充電模式下的Simulink仿真模型,對電壓環(huán)參數(shù)進行驗證,在0.5s時,電壓躍變?yōu)?60 V,其仿真結(jié)果見圖6。

    在Matlab中搭建放電模式下的Simulink仿真模型,對電壓環(huán)參數(shù)進行驗證,在0.3 s時,電壓躍變?yōu)?50 V,在0.5 s時,突加負載,其仿真結(jié)果見圖7。

    3 結(jié)束語

    對儲能系統(tǒng)中三相交錯式并聯(lián)DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究,對雙閉環(huán)控制器參數(shù)進行了設(shè)定,并對儲能系統(tǒng)在恒流及恒壓工作模式下進行了Matlab/Simulink仿真,仿真結(jié)果表明,系統(tǒng)穩(wěn)定并具有較好的響應(yīng)特性。充電時,根據(jù)SOC決定是恒流充電還是恒壓充電,一般SOC小于80%時,恒流充電;大于80%時,恒壓充電;放電時,保持高壓側(cè)電壓恒定,恒壓放電。分布式電站中,要求DC/DC具有雙向變換的功能,并要求其具有很好的穩(wěn)定性及快速響應(yīng),從圖9、圖10的仿真結(jié)果可以看出本設(shè)計滿足微電網(wǎng)中DC/DC的設(shè)計要求。

    參考文獻:

    [1]趙慧杰.一種新型單電源級聯(lián)多電平變流器的控制策略研究[D].浙江:浙江大學(xué),2007.

    [2]王曉琴,張武.交錯并聯(lián)在低壓大電流開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程.2016,(14):184-185.

    [3]王玉斌.單相并網(wǎng)逆變器前級交錯并聯(lián)DC/DC變換器的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2012,(12):66-71.

    [4]汪銘.用于儲能系統(tǒng)的多重化雙向DC/DC變換器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

    [5]鄭喻,牛歡歡,付登昊.基于比例諧振控制器的逆變控制系統(tǒng)研究[J].電氣開關(guān),2015,(5):45-47.

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