基于LCL濾波器的蓄電池雙向DC/DC變換器的研究

李寧寧,　梁爽,　紀(jì)延超,　王建賾,　喬仁爽

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;

2.山東黃金集團(tuán)煙臺(tái)設(shè)計(jì)研究工程有限公司,山東 煙臺(tái) 264006)

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基于LCL濾波器的蓄電池雙向DC/DC變換器的研究

李寧寧1,梁爽1,紀(jì)延超1,王建賾1,喬仁爽2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;

2.山東黃金集團(tuán)煙臺(tái)設(shè)計(jì)研究工程有限公司,山東 煙臺(tái) 264006)

摘要:針對(duì)LCL型濾波器在DC/DC儲(chǔ)能變換器的應(yīng)用中,流過(guò)濾波電容的電流難以準(zhǔn)確測(cè)量的問(wèn)題,提出了一種電容電壓內(nèi)環(huán)反饋控制方法。首先依據(jù)蓄電池對(duì)充放電電流的要求,對(duì)LCL濾波器的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),以蓄電池側(cè)電流為控制對(duì)象,加入濾波電容電壓微分的反饋環(huán)節(jié),增加系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。將LCL型濾波器應(yīng)用到DC/DC儲(chǔ)能變換器中,相比于傳統(tǒng)的L型濾波器,可以大大減小濾波電感值,減小蓄電池充放電電流紋波,延長(zhǎng)蓄電池壽命。最后通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞:LCL濾波器; DC/DC雙向變換器; 蓄電池充放電; 電容電壓微分反饋

梁爽(1990—)，女，碩士，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制；

紀(jì)延超(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及靈活交流輸電系統(tǒng)；

王建賾(1972—)，男，教授，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量檢測(cè)與控制；

喬仁爽(1983—)，男，碩士，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制。

0引言

新能源的發(fā)展順應(yīng)了日益匱乏的能源和日趨惡化的環(huán)境,新能源因?yàn)樽匀粭l件的影響,波動(dòng)性和間歇性也對(duì)新能源并網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)顯著影響,儲(chǔ)能技術(shù)可以在很大程度上解決新能源的隨機(jī)性和波動(dòng)性問(wèn)題,而蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)也是目前技術(shù)最成熟的一種儲(chǔ)能技術(shù),現(xiàn)在也有大量的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源、微電網(wǎng)中應(yīng)用[1-2]。

在蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中,雙向變流器承擔(dān)蓄電池能量和DC/AC變流器能量雙向輸送的任務(wù),采用L型濾波器的Buck/Boost型雙向變流器在可靠性、體積和質(zhì)量以及轉(zhuǎn)換效率、并聯(lián)性能等方面都適合于大功率變換的場(chǎng)合。LCL型濾波器經(jīng)常在DC/AC變流器中使用,如光伏發(fā)電變流器、風(fēng)力發(fā)電變流器、PWM型整流器、STATCOM、APF等電力電子設(shè)備[3-4]。然而LCL型濾波器很少在直流DC/DC變換器中應(yīng)用,文獻(xiàn)[5]中介紹了一種LCL濾波器用于蓄電池的充電,減少蓄電池的充電紋波電流,但僅僅是充電的控制。

本文將LCL型濾波器引入到Buck/Boost雙向變換器中,降低了L型濾波器的體積,并減少了充放電的紋波電流對(duì)蓄電池壽命的影響。用于DC/DC變換器中的LCL濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)與并網(wǎng)逆變器有所不同。以蓄電池側(cè)電流為控制對(duì)象,采用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制,將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻(xiàn)[6]介紹了在電容上串聯(lián)電阻,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性,但阻尼電阻會(huì)消耗能量。文獻(xiàn)[7-8]提出了一種阻尼電阻的虛擬實(shí)現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[9-10]采用了加入電容電流反饋控制,而在實(shí)際應(yīng)用中電容電壓的檢測(cè)要易于電容電流的檢測(cè)。本文提出了一種電容電壓內(nèi)環(huán)反饋控制方法,引入電容電壓微分控制環(huán)節(jié),可以增加系統(tǒng)阻尼,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制方法的正確性。

1LCL參數(shù)的設(shè)計(jì)

對(duì)于LCL的參數(shù)設(shè)計(jì),DC/DC變換器輸出電壓以及蓄電池充放電電流紋波的限值是其關(guān)鍵影響因素[5]。蓄電池經(jīng)LCL濾波器接入到DC/DC變換器的電路模型,如圖1所示。

圖1蓄電池經(jīng)LCL濾波器接入DC/DC變換器的電路模型

Fig. 1The circuit model of battery with

DC/DC using LCL

蓄電池端電壓為200 V,直流側(cè)電壓為800 V,蓄電池的充放電模式采用恒流控制,最大充放電電流為50 A。在開(kāi)關(guān)頻率為10 kHZ時(shí)流過(guò)L1電流的紋波電流值為25 A。根據(jù)BUCK-BOOST電路設(shè)計(jì)公式[11]

(1)

式中:Ubat為蓄電池電壓;ΔI1為蓄電池充放電的紋波電流;fs為DC/DC變換器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率;D為DC/DC變換器的占空比。通過(guò)計(jì)算可以得到L1=0.2 mH。

變換器側(cè)電流i1的紋波電流為25 A,其中的紋波電流將通過(guò)由L2和C組成的LC濾波器減弱。設(shè)計(jì)L2和C的參數(shù)需要考慮i2與i1的傳遞函數(shù)為

(2)

式中:i2為流過(guò)蓄電池的電流;i1為流過(guò)電感L1的電流。

用jωsw代替s,得到傳遞函數(shù)的幅頻特性為

(3)

其中,ωsw為DC/DC變換器的開(kāi)關(guān)角頻率2π×104rad/s。通過(guò)式(3)中設(shè)置i2和i1的比值,可以選擇LCL濾波器的濾波能力,本文取1/10為例,那么流過(guò)L2的紋波電流將會(huì)是流過(guò)L1紋波電流的10%,也就是說(shuō)流過(guò)蓄電池的充放電電流,通過(guò)LCL濾波器后,紋波電流只剩下了10%。通過(guò)計(jì)算得到L2=0.05 mH,C=50 μF,實(shí)際取C=80 μF。

圖2給出電容分別取50 μF、80 μF、100 μF時(shí)的波特圖。圖中可以看出,電容取值越大,穩(wěn)定裕度越在要求范圍,也就是穩(wěn)定性越好。考慮成本問(wèn)題,選取C=80 μF。如果采用L濾波器,為得到相同大小的電流紋波,則所需的電感值為2.1 mH,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于LCL濾波器中L1和L2電感值的總和。因此,采用LCL濾波器可以減小裝置所占體積,從而提高功率密度。

圖2　幅頻特性

2電容電壓反饋控制

根據(jù)推導(dǎo)可以得到輸出電壓ui與蓄電池側(cè)電流i2的傳遞函數(shù)為

(4)

如果采用傳統(tǒng)的PI控制直接對(duì)蓄電池側(cè)的電流i2進(jìn)行閉環(huán)控制,Kpwm是DC/DC變換器在平均值模型下的傳輸增益,Kpwm=Udc/Vtr,這里Vtr為三角載波的幅值。控制框圖如圖3所示。

圖3　i2直接閉環(huán)控制框圖

Fig. 3Block diagram of controller withi2

feedback only

那么得到PI控制器輸出A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(5)

文獻(xiàn)[6]在電容上串聯(lián)電阻,增加系統(tǒng)的阻尼,其控制框圖如圖4所示,得到A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(6)

圖4　電容串聯(lián)阻尼電阻控制框圖

Fig. 4Control block diagram of resistance in

series of capacitor

文獻(xiàn)[9]采用了電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制,控制框圖如圖5所示,此時(shí)得到A(s)與I2(s)之間的傳遞函數(shù)為

(7)

圖5　電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制框圖

Fig. 5Block diagram of controller withicfeedback

control introduced

畫(huà)出式(5)、式(6)、式(7)的幅頻特性曲線,如圖6所示。可以看出如果以i2為控制目標(biāo),采用式(5)的控制方法,系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)存在諧振尖峰,此時(shí)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的;在電容上串聯(lián)電阻可以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作,但是卻增加了功率的損耗;引入電容電流內(nèi)環(huán)反饋控制,諧振尖峰得到了很好的抑制,系統(tǒng)的穩(wěn)定性增加了。而在實(shí)際應(yīng)用中,電容電壓要更易于電容電流的測(cè)量,因此本文提出了電容電壓微分反饋環(huán)節(jié),可以增大系統(tǒng)阻尼,從而達(dá)到抑制諧振的目的,控制框圖如圖7所示。

圖6　閉環(huán)控制傳遞函數(shù)的幅頻特性

Fig. 6Amplitude and frequency characteristics

of closed loop control

圖7　濾波電容電壓微分反饋控制框圖

Fig. 7Block diagram of controller with capacitor

voltage differential feedback

得到A(s)與I2(s)之間新的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(8)

通過(guò)PI控制器實(shí)現(xiàn)反饋校正,校正后得到的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為

(9)

其幅頻特性如圖8所示,可以看到引入電容電壓微分反饋控制后,諧振尖峰得到了很好地抑制。因此,在A(s)之后增加uc反饋控制環(huán)節(jié)的控制策略可抑制諧振,增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。其中kp、ki、k值的選取也會(huì)影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。圖8給出4組參數(shù)的波特圖,其中kp=5、ki=500、k=20是較好的一組參數(shù)。

根據(jù)圖7所示的控制框圖,經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)反饋校正,可以得到系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

kpwmkL2s3+(L1+L2)s2+kpwmkps+

kpwmki)。

(10)

系統(tǒng)的特征方程為

D(s)=L1L2Cs4+kpwmkL2s3+(L1+L2)s2+

kpwmkps+kpwmki=0。

(11)

根據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù),可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定條件為

將上述參數(shù)代入判據(jù)公式,滿足勞斯穩(wěn)定判據(jù),加入電容電壓微分反饋的系統(tǒng)是穩(wěn)定的系統(tǒng)。

圖8電容電壓微分反饋控制傳遞函數(shù)的幅頻特性

Fig. 8Amplitude and frequency characteristics of

controller with capacitor voltage

differential feedback

3仿真及實(shí)驗(yàn)

3.1　仿真及結(jié)果

為了驗(yàn)證理論分析的正確性和引入電容電壓微分反饋控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在Matlab/SIMULINK的仿真環(huán)境下建立了如圖1所示的模型并進(jìn)行了仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　仿真參數(shù)

在t=0.1 s時(shí)蓄電池以I=50 A的電流進(jìn)行放電,t=0.4 s時(shí)蓄電池以相同大小的電流進(jìn)行充電。圖9為采用LCL型濾波器,引入電容電壓微分反饋控制后,蓄電池的充放電電流波形圖;圖10為蓄電池側(cè)電流的THD含量圖;圖11為流過(guò)濾波電感L1的電流波形圖;圖12為采用L型濾波器,濾波電感值等于2.1 mH時(shí),蓄電池的電流波形圖;圖13為采用2.1 mH電感時(shí),電流的THD含量。

圖9　蓄電池側(cè)電流波形

圖10　蓄電池側(cè)電流的THD

圖11　流過(guò)L1的電流波形

圖12　采用2.1 mH電感時(shí)的電流波形

圖13　采用2.1 mH電感時(shí)電流的THD

根據(jù)波形圖可以看到應(yīng)用LCL濾波器后,蓄電池充放電電流的紋波電流幅值為3.5 A,電流的THD含量為4.94%,而采用2.1 mH純電感時(shí),電流紋波電流的幅值為3 A,電流的THD含量4.03%,主要為開(kāi)關(guān)頻率次的高次諧波,而LCL濾波器的高次諧波基本被濾除,由此可以看出LCL型濾波器能更好的濾除高次諧波,并驗(yàn)證了采用電容電壓微分反饋控制的系統(tǒng)有很好的穩(wěn)定性。

3.2　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中提出的控制策略的正確性,以TMS320LF2812 數(shù)字信號(hào)處理器為控制芯片,搭建了300 W的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖14所示。

圖14　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖

實(shí)驗(yàn)中,蓄電池采用的是2個(gè)CHAMPION的12 V蓄電池串聯(lián)作為蓄電池模塊,英飛凌FF150R17KE4型號(hào)的IGBT模塊做為開(kāi)關(guān)管,開(kāi)關(guān)頻率為10 kHz,其他參數(shù)與仿真中的參數(shù)一致。蓄電池的充放電電流為10 A,系統(tǒng)在5 s時(shí)由放電轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)。圖15為采用LCL型濾波器時(shí)蓄電池的充放電電流,流過(guò)蓄電池紋波電流的幅值為2.3 A;圖16為采用LCL型濾波器時(shí)流過(guò)電感L1的電流,紋波電流為26 A。

圖15　蓄電池側(cè)的電流

可見(jiàn),通過(guò)LCL濾波后,流過(guò)蓄電池的紋波電流大大降低。圖17為采用2.1 mH的L型濾波器時(shí)流過(guò)蓄電池的電流,紋波電流為1.5 A。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出采用LCL濾波器可以減小蓄電池充放電的紋波電流,可以近似的等于其10倍電感容量的L型濾波器的濾波效果,從而可以大大減小濾波電感的體積,同時(shí),通過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,也檢驗(yàn)了電容電壓微分反饋控制系統(tǒng),可以增大系統(tǒng)阻尼,抑制諧振,使控制系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

圖16　流過(guò)L1的電流

圖17　采用2.1 mH電感時(shí)的電流波形

4結(jié)論

采用蓄電池側(cè)電流直接閉環(huán)控制的LCL濾波器會(huì)引起系統(tǒng)產(chǎn)生諧振尖峰,易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文提出了電容電壓微分反饋控制,并對(duì)應(yīng)用在DC/DC變換器的LCL的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)參數(shù)的正確性以及控制策略抑制諧振尖峰增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效性。

參 考 文 獻(xiàn):

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(編輯：劉琳琳)

Research on battery DC/DC bidirectional converter using LCL filter

LI Ning-ning1,LIANG Shuang1,JI Yan-chao1,WANG Jian-ze1,QIAO Ren-shuang2

(1.School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China;

2. Shandong Gold Group Yantai Design Engineering Co. Ltd., Yantai 264006, China)

Abstract:It is difficult to measure the current of capacitor in LCL filter, in order to solve this problem, a kind of capacitor voltage feedback loop control method was proposed. The parameters of LCL were designed based on the requirements of the ripple of charging and discharging current. And the control strategy with the capacitor voltage differential feedback was proposed to control the battery side current, which can eliminate resonance and improve system stability. The simulation and experiment results prove that the strategy proposed is correct and practicable.

Keywords:LCL filter; DC/DC bidirectional converter; battery charging and discharging; capacitor voltage differential feedback

通訊作者:李寧寧

作者簡(jiǎn)介:李寧寧(1982—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量控制；

基金項(xiàng)目：科技部國(guó)際合作項(xiàng)目 (2010DFR70600)

收稿日期:2014-04-21

中圖分類(lèi)號(hào):TM 46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2015)07-0008-06

DOI:10.15938/j.emc.2015.07.002