大功率DC-DC變換器的設(shè)計

李 峰

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 設(shè)計背景

風(fēng)能、太陽能、潮汐能等可再生能源被認為是未來電能的有效來源,在世界范圍內(nèi)已被大量使用。為解決可再生能源發(fā)電的間歇性和多變性問題,需要配備儲能系統(tǒng),通過儲能系統(tǒng)減小可再生能源發(fā)電對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊和影響,保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性[1-2]。另一方面,由于新能源汽車的快速發(fā)展,大量汽車動力電池退役,退役電池作為儲能電池被二次利用。退役電池儲能系統(tǒng)和液流電池儲能系統(tǒng)作為化學(xué)儲能系統(tǒng),被逐步應(yīng)用于風(fēng)電、光伏發(fā)電和配電系統(tǒng)。液流電池儲能系統(tǒng)由于電壓低,需要配備DC-DC變換器,對電池進行升壓,再傳送至儲能變流器。退役電池儲能系統(tǒng)從電池安全性、一致性角度考慮,減少電池的串聯(lián)數(shù)量,導(dǎo)致退役電池儲能系統(tǒng)的電壓相比新電池系統(tǒng)明顯偏低,同樣需要配備DC-DC變換器,對電池進行升壓,再傳送至儲能變流器。

目前,國家鼓勵可再生能源發(fā)電系統(tǒng)配備儲能系統(tǒng)。在行業(yè)內(nèi),一般按照發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的20%～30%配備儲能系統(tǒng)。以此估算,液流電池儲能系統(tǒng)用于可再生能源發(fā)電系統(tǒng),所配備的容量至少為兆瓦時級,輸出功率一般在500 kW以上。單個退役電池儲能系統(tǒng)的裝機容量也為兆瓦時級,輸出功率一般在250 kW以上。對于如此高的輸出功率,目前行業(yè)內(nèi)由于缺少大功率DC-DC變換器,通常采用小功率DC-DC變換器多機并聯(lián)應(yīng)對。但是,儲能系統(tǒng)達到兆瓦級輸出功率時,DC-DC變換器多機并聯(lián)的方案存在成本高、穩(wěn)定性差、效率低等缺點,無法滿足應(yīng)用要求[3]。由此可見,設(shè)計低壓大功率DC-DC變換器具有重要意義。

2 拓撲結(jié)構(gòu)

筆者針對液流電池儲能系統(tǒng)設(shè)計DC-DC變換器。液流電池輸出電流大,儲能容量大,支持過充、過放,且不會損壞電池。液流電池單元額定功率為250 kW,直流額定電壓為200 V,額定輸出電流為1 250 A,基于以上參數(shù),對DC-DC變換器進行設(shè)計。

在儲能系統(tǒng)中,DC-DC變換器工作時有兩種模式,分別為升壓模式和降壓模式[4]。當DC-DC變換器工作于升壓模式時,DC-DC變換器為高壓側(cè)直流母線端提供能量,在維持直流母線電壓相對穩(wěn)定的同時,為高壓側(cè)輸送能量。當DC-DC變換器工作于降壓模式時,直流母線側(cè)能量回饋給電池側(cè),為電池充電,從而實現(xiàn)能量雙向流動?；谝陨蟽煞N模式,筆者采用降壓-升壓電路拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計DC-DC變換器。

設(shè)計DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu),需要考慮以下六方面:① 不同輸出功率狀態(tài)下電流紋波需要滿足要求,避免過大,不對電池壽命和性能產(chǎn)生影響[5-6];② 在全功率段范圍內(nèi),控制精度需要滿足要求;③ 可靠性要求;④ 采用模塊化設(shè)計,滿足不同功率段的要求[7];⑤ 保證散熱良好;⑥ 成本可控,效率高,穩(wěn)定性強?；谝陨狭矫?采取六路降壓-升壓電路交錯并聯(lián),可以減小濾波電感的感值和體積,支路電感參數(shù)保持一致,并能夠有效減小電流紋波和濾波電容容量[8]?？紤]模塊化設(shè)計,滿足不同功率段的要求,DC-DC變換器內(nèi)部設(shè)有兩個DC-DC功率模塊單元,每個功率模塊單元內(nèi)三路降壓-升壓電路交錯并聯(lián)。所設(shè)計的DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

額定輸出電流為1 250 A,相當于每個支路電感分配約210 A電流,考慮電感紋波和運行裕量,選用FF600R12ME4型開關(guān)管,配套2SP0115T2A0-12型驅(qū)動模塊。在DC-DC變換器的高壓側(cè)和低壓側(cè)分別安裝預(yù)充電回路,抑制電池或儲能變流器接入DC-DC變換器瞬時引起的過流[9]。

電池側(cè)直流額定電壓為200 V,額定電流為1 250 A,高壓直流側(cè)額定電壓為700 V,額定電流為357 A,開關(guān)頻率為5 kHz,電池側(cè)電壓紋波為5%,電感電流紋波按30%計算,得到每條支路電感為0.5 mH。

DC-DC變換器采用單個控制器,數(shù)字信號處理器芯片為主控微控制單元,主要負責電池充放電控制、輸出直流電壓下垂控制、并聯(lián)均衡控制等。采用TMS320F28335型數(shù)字信號處理器,具備150 MHz浮點中央處理器。選用MAX7000A系列復(fù)雜可編程邏輯器件芯片,主要負責DC-DC變換器的驅(qū)動保護、硬件保護、軟件保護、驅(qū)動信號生成等,以滿足各種保護功能快速性的要求。選用AD7606型外接模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片,可以同步采集多路電流、電壓信號,主要負責六條支路電感電流和電壓的采樣。中央處理器輸出驅(qū)動信號,經(jīng)復(fù)雜可編程邏輯器件芯片生成六對驅(qū)動信號,分別驅(qū)動六個絕緣柵雙極晶體管模塊。

3 多機并聯(lián)控制策略

目前,國內(nèi)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)一般按照總裝機量的20%～30%配備儲能系統(tǒng)。單臺集中式光伏逆變器的功率為3 MW～4 MW,需要配備輸出功率為600 kW～1.2 MW的液流電池儲能系統(tǒng),而單臺DC-DC變換器的輸出功率很難達到600 kW及以上,因此需要多臺DC-DC變換器并聯(lián)實現(xiàn)。

擴容并聯(lián)時,需要實現(xiàn)并聯(lián)均衡控制,不僅要保證DC-DC變換器之間的功率均衡[10],而且要保證液流電池之間的充放電均衡。為完成DC-DC變換器擴容并聯(lián),設(shè)置下垂曲線,采用下垂控制技術(shù),實現(xiàn)DC-DC變換器的并聯(lián)控制。在對多臺DC-DC變換器進行控制時,下垂曲線的設(shè)置決定了DC-DC變換器運行功率的分配。若為多臺DC-DC變換器設(shè)置同樣的下垂曲線,則可實現(xiàn)功率均分。若要實現(xiàn)任意功率分配,則可設(shè)置不同斜率的下垂曲線。

筆者設(shè)置DC-DC變換器的輸出功率與高壓側(cè)直流母線電壓滿足下垂曲線特性,下垂曲線如圖2所示。

圖2 下垂曲線

定義DC-DC變換器由電池發(fā)出功率為正,即放電為正,充電為負。設(shè)置直流側(cè)輸出電壓為550～650 V,系統(tǒng)額定功率為250 kW,斜率絕對值的最大值為0.000 2,則下垂曲線斜率范圍為[-0.000 2,0]。在實際運行中,需要留有裕量,設(shè)計電壓范圍為575～625 V,計算得到斜率為0.000 1,則下垂曲線的表達式為:

U=600-0.000 1P

(1)

式中:P為檢測得到的DC-DC變換器輸出功率;U為計算得到的高壓側(cè)直流母線電壓參考值。

DC-DC變換器算法控制框圖如圖3所示。檢測得到的DC-DC變換器輸出功率P進入下垂曲線,通過計算得到高壓側(cè)直流母線電壓參考值U,并與檢測得到的直流電壓Udc做差,進入比例積分(PI)調(diào)節(jié)器,得到電流參考值iref。電流參考值均分六份后為iLi_ref,與實際電流iLi進行比例積分調(diào)節(jié),得到脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號。脈沖寬度調(diào)制信號相位依次相差120°,驅(qū)動電力電子器件。

圖3 DC-DC變換器算法控制框圖

4 測試

為驗證DC-DC變換器的功能和性能滿足指標要求,基于DC-DC變換器、電池模擬器、儲能變流器搭建試驗平臺,對DC-DC變換器進行測試。

設(shè)置DC-DC變換器的輸出功率為110 kW,電池模擬器的直流輸出電壓為120 V,處于充電狀態(tài)。測試得到的DC-DC變換器輸出電流、電壓波形如圖4所示。圖4中通道1、2、4為支路電感電流波形,通道3為電池側(cè)電壓波形。

由圖4可知,各支路電感電流均約為150 A,實現(xiàn)了各支路電感電流的均分,同時不同支路電感電流相位依次相差120°,電池側(cè)的電流紋波明顯減小。目前,DC-DC變換器作為250 kW液流電池儲能系統(tǒng)的一部分,已正式投入運行。

5 結(jié)束語

筆者設(shè)計的大功率DC-DC變換器具有以下特點:

(1) 可以根據(jù)輸出功率大小,自動調(diào)整運行支路數(shù)量和支路電流大小,提高了DC-DC變換器的整體運行效率;

(2) 多路電路交錯并聯(lián),相比同功率多臺小功率DC-DC變換器并聯(lián),在斷路器數(shù)量、硬件電路、電感等方面降低了成本;

(3) 采用下垂控制技術(shù),具有魯棒性,DC-DC變換器并聯(lián)運行的穩(wěn)定性提高。

圖4 DC-DC變換器測試波形

通過測試驗證了DC-DC變換器的可行性和有效性。這一DC-DC變換器具有模塊化結(jié)構(gòu),可以根據(jù)儲能系統(tǒng)輸出功率的大小進行靈活配置,適用于要求低壓大功率輸出的液流電池儲能系統(tǒng)和退役電池儲能系統(tǒng)。