【《双向DC-DC储能变流器工作原理及其控制概述》3200字】

16双向DC-DC储能变流器工作原理及其控制概述目录TOC\o"1-3"\h\u17830双向DC-DC储能变流器工作原理及其控制概述 1246081.1直流微电网运行模式分析 183731.2双向DC/DC变流器拓扑结构 2174351.3双向DC/DC储能变流器工作模式分析 5109841.3.1Buck工作模式 6169471.3.2Boost工作模式 774731.4储能变流器控制原理 8240101.4.1恒流控制模式 9191281.4.2恒压控制模式 91.1直流微电网运行模式分析直流微电网存在着丰富的分布式电源与负荷，因此存在着频繁的能量流动。储能变流器是直流微电网中不可或缺的能量转换中心。主要功能是为系统提供短时供电、提高电能的质量、提升系统工作效益[12]。如图2-1所示，现下处于应用的直流微网的结构中，双向DC/DC变换器的两端与储能装置和直流母线分别相连，直流母线还通过DC/AC变换器与大电网连接，由此可见，直流微网必然存在着两种运行方式：并网运行模式、孤岛运行模式[13]。图2-1直流微网常见运行示意图所谓并网运行模式就是直流微网与大电网通过DC/AC变换器连接，DC/AC变换器处于工作状态（整流模式或逆变模式），如此一来，有着大电网的支撑，可以保证在储能装置受限的情况下直流微网依然可以稳定向负载供电；同样的，当分布式能源发电处于旺季（如夏季的太阳能、春季的风能）时，直流微网产生电能有余裕时，也可以通过DC/AC变换器将电能馈送至大电网实现并网运行。图2-2直流微网并网运行模式直流微电网处于孤岛模式运行时，DC/AC变换器处于断开状态，能量仅在直流母线、DC/DC变换器、储能装置之间流动，而对其中的能量转换中枢——储能变流器的控制就是一个极其关键的议题。受限于实验条件，本文不讨论直流微网在并网运行模式下的控制，仅讨论图2-3所示孤岛运行模式下对于DC/DC储能变流器的控制。图2-3直流微网孤岛运行模式1.2双向DC/DC变流器拓扑结构双向DC/DC变换器可分为两隔离型拓扑和非隔离拓扑。非隔离的拓扑在没有磁隔离的情况下传输电能。虽然非隔离拓扑不使用变压器，也缺乏隔离型拓扑的优点，如高升压增益比，但它们有着更简单的配置、结构，并且没有隔离型拓扑的缺点，如电磁干扰、较高的重量。当尺寸和重量在特定应用中很重要时，这些特性使它们脱颖而出。在实际应用中出于对变换器重量以及成本、结构的繁易程度考虑，一般应用非隔离型双向DC/DC变换器，而非隔离型双向DC/DC变换器大致可以分为以下四种拓扑：双向半桥变换器别名Buck&Boost变换器，用双向功率开关代替传统的降压升压变换器的单向开关，就可以得到双向半桥变换器，它是基础的Buck变换器和Boost变换器的拓扑组合，通过控制开关管S1和S2的开断来控制能量流动的方向，它优点显著结构简单、所用的电力电子元器件较很少，被广泛用于光伏系统和UPS电源中。图2-4.双向半桥变换器采用把单向升降压变换器转换为双向半桥变换器的方法，即在单向变换器拓扑中使用双向的开关管代替原拓扑的二极管，就可以得到双向Buck-Boost变换器。与双向半桥变换器相比，它可以实现较大范围的调压。此外，双向Buck-Boost变换器还具有器件少、结构简单、效率较高的优点，但是其输入输出极性相反，两个开关管都要使用浮地驱动，驱动电路的设计较双向半桥变换器更为复杂，适用于小功率的场合。图2-5.双向Buck-Boost变换器Cuk变换器以其输入电流和输出电流的连续性等特点而闻名，在原电路的功率开关和二极管的位置上使用两个双向功率开关，就可以将其转换为双向拓扑。但是其输入输出极性相反，电路结构比较复杂，且由于能量在传递过程中必须经过电容C3，不能直接传递到负载，所以其效率较低，不适合在功率较大的场合使用[14]。图2-6.双向Cuk变换器当功率从VL流向VH终端时，该拓扑充当SEPIC转换器，当功率从VH流向VL时充当Zeta转换器。通常双向Sepic/Zeta变换器有辅助支路，可以在输入输出之间形成一条直接的能量传输路径，能有效减小电流纹波。但是它效率不高，且结构较为复杂，使用电力电子器件较多。图2-7.双向Sepic/Zeta变换器表2-1、2-2对四种双向DC／DC变换器电路中的功率器件和二极管所承受的电流及电压应力进行了细致的对比。表2-1非隔离型双向DC/DC变换器电压应力比较变换器拓扑结构二极管耐压值开关管耐压值双向半桥变换器双向BUCK/Boost变换器双向CUK变换器双向Sepic/Zeta变换器表2-2非隔离型双向DC/DC变换器电流应力比较变换器拓扑结构占空比D开关管承受电流双向半桥变换器Buck模式双向半桥变换器Boost模式双向BUCK/Boost变换器双向CUK变换器通过表中以及电路结构图的细致对比可知双向半桥变换器有着以下的优点：变换器的功率器件以及二极管承受的电压、电流应力最小，且结构简单、整体效率较高。故选用双向半桥变换器作为实验的控制对象进行研究。1.3双向DC/DC储能变流器工作模式分析图2-8为本文所用双向DC/DC储能变流器拓扑简图，Ui表示储能装置提供的直流侧电源，L为储能电感，R为模拟电感内阻，S1、S2为IGBT与二极管组成的开关管，Co为输出储能电容，Rc为模拟电容内阻，Req为直流微网的直流负载，Uo为直流微网侧直流母线电压。具体参数见表2-1。对双向半桥变换器的工作模式进行完整清楚的分析是进行控制研究是基础。图2-8.双向半桥变换器拓扑结构图1.3.1Buck工作模式储能变流器处于Buck工作模式下时，能量由直流电网侧向储能系统流动。下管S2处于关断状态，此时电路有两种工作方式，如图2-9、图2-10所示分别为开关管S1开通和开关管S1关断对应的工作模式。图2-9.Buck工作模式下S1开通图2-10.Buck工作模式下S1关断Buck模式开关管S1开通时，二极管D2截止，能量由直流微网往储能电池流动，对储能电池进行充电，在储能电感L饱和前，电感电流稳定上升，电感电压为Uo-Ui。当开关管S1关断时，二极管D2导通进行续流，在续流环路中，储能电感电流开始均匀减小继续对储能电池进行充电。那么对开关管S1驱动端施加PWM信号，S2端施加截止信号，则双向半桥DC/DC变换器就可以实现Buck变换电路功能，即降压变换。变换电路输出电压方向为正向，电压的变比为：（1）D1为驱动开关管S1的PWM信号占空比。1.3.2Boost工作模式储能变流器处于Boost工作模式下时，能量由储能系统向直流电网侧流动，储能电池向直流微网供电。上管S1处于关断状态，此时电路有两种工作方式，如图2-11、图2-12所示分别为开关管S2开通和开关管S2关断对应的工作模式。图2-11.Boost工作模式下S2导通图2-11.Boost工作模式下S2关断Boost工作模式下开关管S2导通时，储能电感在饱和前电流逐渐上升，当开关管S2关断时，二极管D2开通，储能电池给储能电容Co充电的同时给负载供电，此时储能电流逐渐减小。那么对开关管S2驱动端施加PWM信号，S1驱动端施加截止信号，可得到输出输入电压的变比为：（2）D2为施加给开关管S2的PWM信号占空比。当采用同步整流技术[15]（上下管互补导通），就可以得到：(3)那么也可以得到：(4)综上，采用上下管互补导通的方式，通过控制占空比就可以实现对输出电压的升降压控制。1.4储能变流器控制原理控制方案的设计中，大家往往从双向DC/DC变流器的Buck模式和Boost模式入手，分别建立Buck模式和Boost模式的状态空间模型，推导得到两个模式下的控制模型，在两个控制模式下进行切换，对储能装置做充放电控制[16-17]。直流微网中不存在频率、相位角、无功功率的控制，衡量电能质量的指标都将着眼于直流母线电压以及上文提到的储能电感的电流上，本文对于直流储能变流器的控制也将围绕这两个重要数据展开。本节将基于PI控制，设计对于储能电感电流以及直流母线电压的恒流控制模式以及恒压控制模式。1.4.1恒流控制模式在直流母线电压额定时，此时根据不同需要，控制储能电感上的电流使其稳定在给定值即为恒流控制模式。该控制模式的意义在于可以通过控制电感电流的正负来改变储能变流器与直流微网的能量流动方向。当电流给定值为正时，储能装置处于放电状态，向直流微网供电，而当电流给定值为负值时，直流微网向储能装置供电，储能装置处于充电状态。图2-13.恒流控制模式控制框图图2-13为恒流控制模式控制框图，可以看到，电流给定值与电流采样值的差值被送入到PI控制器中，得到的控制电流信号与锯齿波经过脉冲宽度调制，输出的反馈控制信号对DC/DC变换