双向储能系统DCDC变换器设计.doc

双向储能系统DC/DC变换器设计本报告设计了双向储能系统DC-DC变换器，并基于计算机仿真PSCAD软件进行了仿真，器变换器拓扑如图1(a)所示，其中左侧为低压侧，接储能电池，右侧为高压侧，接负载与分布式电源，变换器电感为5mH，高压侧稳压电容为3000f，开关频率为6000Hz。变换器控制策略采用双闭环定电压控制，外环为电压环，内环为电流环，从而起到稳定高压侧电压的作用，如图1(b)所示。图1(a) 变换器拓扑图1(b) 变换器控制策略1 低压侧：Vdc：35-50V；电流纹波3%（满载充电工况下）由于锂离子电池电压会随着SOC波动，其波动范围为35-50V，因此首先需要对锂离子电池进行建模。查阅文献可知，可使用单变量函数描述锂离子电池SOC与电池端电压之间的关系。由于当SOC为0时，电池端电压为35V；当SOC为1时，电池端电压为50V，因此利用典型的单变量函数可以得到本文中锂离子电池的数学模型，即 (1)根据模型可以得到PSCAD锂离子电池模型如图2所示。仿真可得其SOC-电压特性曲线如图3所示。图2 PSCAD锂离子电池模型图3 锂离子电池SOC-电压特性曲线由按秒特性原理，可知电流纹波与高低压侧电压及电感有关，可以得到稳态下的电感电流纹波为 (2)其中uin为低压侧输入电压，uout为高压侧输出电压，T为开关周期，L为电感满载时电流最大值为 (3)因此有 (4)由(2)可知当uin最小时，电流纹波有最大值，uin=35V代入可得H (5)因此L取5mH可以满足要求，其电流纹波的仿真波形如图4所示，可以看出电流纹波不到0.7A，满足要求。图4 电感电流纹波2 高压侧：Vdc：400V；电压纹波96%；50%负载时94%；25%负载时92%当变换器工作在放电模式下时，放电功率最初为250W，5s时刻变为500W，7s时刻变为1000W，如图11所示，其效率如图12所示，可以看出在放电模式下，效率满足要求。当变换器工作在充电模式下时，放电功率最初为250W，5s时刻变为500W，7s时刻变为1000W，如图13所示，其效率如图14所示，可以看出在充电模式下，效率满足要求。图11 放电时的效率变化图12 放电时的效率变化图13 充电时的效率变化图14 充电时的效率变化5 若想提高变换器功率密度，在设计时应考虑哪些因素？1 首先合理的布局是减小体积最有效的方式，主电路、控制电路、散射系统等合理布局，甚至控制单路PCB板的最优设计，可以最大程度的利用有限空间，可以减少变换器的体积，从而提高其功率密度；2 散热系统的设计也非常关键，因为变换器内部温度越高，效率越低，输出的功率也越低，从而导致功率密度的降低；3 在满足相应指标的基础上，尽可能采用更小的电感、电容，以及容量更小电力电子开关元件，从而降低体积，提高功率密度；4 将桥壁多重化，如现有的三相交错DC/DC变换器，多重桥壁可共享输入、输出侧电容、断路器、接触器等原件，且多重化可降低总的电流纹波比率，对电容值要求更低，使其体积更小，从而可大大提高功率密度；5 对于带高频变压器的隔离型DC/DC变换器，提高开关频率可以大大减少高频变压器的体积