分布式風(fēng)光儲系統(tǒng)雙向DC-DC變換器研究*

呂項(xiàng)羽，劉暢，王勇，李喆

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春130021；2.上海交通大學(xué)電氣工程系，上海200240）

0 引 言

風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)受光照、風(fēng)力條件影響較大，具有很大的功率波動性［1-3］。

所以單純的并網(wǎng)系統(tǒng)難以應(yīng)對電網(wǎng)故障、負(fù)載功率和發(fā)電功率不匹配等問題以及無風(fēng)、夜晚或陰雨天停電的極端情況［4-5］。

文獻(xiàn)［6-7］中的分布式發(fā)電系統(tǒng)引入了儲能模塊，并使用雙向DC-DC連接蓄電池和直流母線。其中雙向DC-DC具有保持系統(tǒng)內(nèi)功率流動動態(tài)平衡并改善并網(wǎng)逆變器輸出電流電能質(zhì)量的作用。所以，雙向DC-DC在整個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵。文獻(xiàn)［8］提出了電池側(cè)雙向DC／DC電路的雙閉環(huán)控制可保證電池電流靈活可調(diào)；文獻(xiàn)［9］提出了一種半橋結(jié)構(gòu)的Buck-Boost型雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電功率削峰填谷、平抑的功能；文獻(xiàn)［10］提出了一種兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck-Boost型雙向DC／DC變換器，采用一種新的移相均流控制策略抑制電感電流紋波、保持兩相間電流均衡。但是這些系統(tǒng)的蓄電池側(cè)都要求較高的電池電壓。串聯(lián)大量蓄電池，使得電池均壓管理困難，也增大了整機(jī)體積。

本文研究一種分布式風(fēng)光互補(bǔ)并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)，從功率流動和能量管理的角度分析了其中雙向DC-DC變流器的關(guān)鍵作用。然后詳細(xì)分析了雙向雙有源全橋DC-DC的工作原理及功率特性。最后通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析、驗(yàn)證了系統(tǒng)的多模式運(yùn)行，以及有效的功率控制。

1 風(fēng)光互補(bǔ)并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文研究的風(fēng)光儲并離網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。光伏陣列通過Boost電路連接到380 V～500 V的直流母線上，可以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電的最大功率追蹤功能。同時(shí)，風(fēng)機(jī)控制器的輸出電壓通過另外一路Boost變換器連接到直流母線。母線電容通過雙向DC-DC變換器，連接低壓蓄電池，完成對其充電和放電。直流母線電容，通過H橋雙向逆變器，連接單相電網(wǎng)。控制器通過比較光伏輸出功率、風(fēng)機(jī)控制器輸出功率、負(fù)載功率以及蓄電池荷電狀態(tài)，來判斷和控制系統(tǒng)內(nèi)功率流動方向。

圖1 風(fēng)光儲系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Infrastructure diagram of the wind-photovoltaic-storage system

1.2 系統(tǒng)的工作模式

當(dāng)電網(wǎng)故障且PV風(fēng)機(jī)發(fā)電功率小于本地負(fù)載所需功率時(shí)，此時(shí)蓄電池通過雙向DC-DC，饋電給直流母線電容，和PV陣列、風(fēng)機(jī)一起通過DC-AC變換器供給本地負(fù)載使用。此時(shí)雙向DC-AC工作在逆變狀態(tài)，雙向DC-DC工作在放電狀態(tài)。

此模式下的功率關(guān)系如式（1）所示。

式中PWIND為風(fēng)機(jī)輸出功率；PBAT為蓄電池的放電功率，正值表示蓄電池處于放電狀態(tài)，負(fù)值則表示蓄電池正在充電，下同。

而當(dāng)電網(wǎng)正常且PV風(fēng)機(jī)發(fā)電功率小于本地負(fù)載所需功率時(shí)，由DC-AC來閉環(huán)控制直流母線電壓為380 V，PV陣列、風(fēng)機(jī)、蓄電池和電網(wǎng)同時(shí)供給本地負(fù)載，此時(shí)DC-AC工作在逆變狀態(tài)；或者，電價(jià)較為便宜且沒有負(fù)載時(shí)，電網(wǎng)將通過DC-AC及雙向DC-DC來給蓄電池充電，此時(shí)DC-AC工作在整流模式。此模式下的功率關(guān)系式如式（2）所示。

式中PGrid為電網(wǎng)流向風(fēng)光儲系統(tǒng)的功率，負(fù)值則表示風(fēng)光儲系統(tǒng)饋電給電網(wǎng)的功率。

由以上對系統(tǒng)工作模式及其切換、各種模式下系統(tǒng)內(nèi)功率流動的分析可知，雙向DC-DC的關(guān)鍵之處不僅在于它豐富和完善了風(fēng)光儲系統(tǒng)的工作模式和應(yīng)對各種工況下的能力，而且在于它穩(wěn)定直流母線電壓的能力，還在于它改善了風(fēng)機(jī)、光伏注入電網(wǎng)的功率波動的情況，提高了并網(wǎng)端輸出電流的電能質(zhì)量。所以，雙向DC-DC變換器是整個(gè)風(fēng)光儲系統(tǒng)的關(guān)鍵。同時(shí)，蓄電池和直流側(cè)的電壓變比較大，所以帶有高頻隔離的雙向雙有源全橋DC-DC變換器將是合適的選擇。整個(gè)風(fēng)光儲系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

圖2 風(fēng)光儲系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.2 Topology diagram of the wind-photovoltaic-storage system

2 雙向雙有源DC-DC工作原理及控制策略

雙向雙有源DC-DC變換器的拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 雙向雙有源DC-DC變換器的主拓?fù)潆娐稦ig.3 Main topological circuit of double active bi-directional DC-DC converter

圖3所示的雙向雙有源DC-DC采用移相控制，通過控制變壓器兩側(cè)全橋的驅(qū)動波，使得原邊和副邊產(chǎn)生相差一定移相角的驅(qū)動信號。而通過控制移相角的大小就可以控制變換器中功率的大小和流動方向，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)。如圖4為移相控制時(shí)變換器的主要工作波形。

圖4 移相控制時(shí)變換器的主要工作波形（充電時(shí)）Fig.4 Operating waveform of converter in phase shifted control（charging）

2.1 變換器工作模態(tài)分析

本節(jié)以高壓側(cè)向低壓側(cè)傳輸功率為例，分析該變換器的工作模態(tài)。為簡化推導(dǎo)過程，便于表述，須作假設(shè)：（1）變換器處于穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)；（2）所有開關(guān)管均視為理想開關(guān)反并一個(gè)二極管，再并聯(lián)寄生電容；（3）V1＞KV2，其中K為變壓器原副邊匝比；（4）變壓器是理想的，激磁電流為零。

在主拓?fù)渲校儞Q器正向工作時(shí)，S1、S4的驅(qū)動信號超前于 Q1、Q4，S2、S3超前于 Q2、Q3。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，變換器有10個(gè)開關(guān)模態(tài)。由于t5時(shí)刻之后，變換器開始另一半個(gè)周期的工作，其工作情況類似于半個(gè)周期。所以，圖5僅給出前半周期的工作模態(tài)等效電路。開關(guān)模態(tài)圖5（a）中，直流母線輸出功率，蓄電池吸收功率；開關(guān)模態(tài)圖5（b）是S1和S4的ZVS開通的諧振過程；開關(guān)模態(tài)圖5（c）中，電感釋放能量給直流母線電容和蓄電池；開關(guān)模態(tài)圖5（d）中，直流母線電容和蓄電池同時(shí)給電感儲能；開關(guān)模態(tài)圖5（e）是Q5和Q8的ZVS的開通過程；開關(guān)模態(tài)圖5（f）中，直流母線電容輸出功率，蓄電池吸收功率。

2.2 變換器功率特性分析

基于對雙向雙有源DC-DC變換器各工作模態(tài)的詳細(xì)分析，我們可以研究其功率特性。由于開關(guān)管開關(guān)過程時(shí)間較短，下面的分析忽略了開關(guān)模態(tài)圖5（b）和圖5（e）的時(shí)間及其瞬態(tài)過程。那么可認(rèn)為在［t0，t3］時(shí)段內(nèi)是線性上升的，其表達(dá)式為：

圖5 各開關(guān)模態(tài)的等效電路（充電時(shí)）Fig.5 Equivalent circuit of switching mode（charging）

式中IL（t0）為電感電流在t0時(shí)刻的大小；K為變壓器原副邊匝比；L為變壓器的漏感與高壓側(cè)外加電感之和；V1為高壓側(cè)直流母線電壓；V2為低壓側(cè)蓄電池的端電壓，下同。

由于t3－t0＝φ，那么t3時(shí)刻電感電流大小為：

式中 φ為移相角，充電時(shí)為正值。同理，［t3，t5］時(shí)段內(nèi)iL的表達(dá)式為：

由式（5）可得t5時(shí)刻電感電流大小為：

由于iL在正負(fù)半個(gè)開關(guān)周期上是對稱的，故有IL（t0）＝－IL（t5）。那么根據(jù)式（4）和式（6），可得：

式中 Ts為開關(guān)周期。結(jié)合式（3）、式（5）和式（7），可以寫出正向工作時(shí)半個(gè)開關(guān)周期內(nèi)iL的表達(dá)式為：

由式（8）可得正向功率傳輸時(shí)原邊輸入平均功率的表達(dá)式為：

式中I1AVG為雙向DC-DC的輸入電流平均值。

為表述方便，定義：k＝KV2／V1，Pbase＝V21Ts／（8L），φ＝T*sD／2。其中D為移相角φ與半個(gè)周期的比例，定義為移相比；Pbase為基準(zhǔn)功率。則正向功率傳輸時(shí)（0＜D≤1）原邊輸入平均功率P0的標(biāo)幺值為：反向功率傳輸?shù)墓β视?jì)算同理可得，整理得－1≤D≤1時(shí)P0的標(biāo)幺值為：

從式（11）可以看出移相比 D在［－0.5，＋0.5］的區(qū)間里，傳輸功率與移相比成正相關(guān)。故可以通過控制移相比，有效控制雙向DC-DC中功率的流動，從而完成系統(tǒng)各種工作模式。

2.3 變換器的控制策略

如圖6為雙向DC-DC變換器的控制框圖。雙向DC-DC變換器低壓端口連接較低電壓的蓄電池，高壓端口連接風(fēng)光儲系統(tǒng)的直流母線。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測雙向DC-DC變換器兩端口的電壓V1、V2。工作模式控制器通過當(dāng)前的電網(wǎng)狀態(tài)（故障／正常）、光伏發(fā)電功率PPV、風(fēng)機(jī)功率PWIND和本地負(fù)荷Pload的大小來決定定當(dāng)前的工作模式，例如當(dāng)電網(wǎng)故障且PPV＋PWIND＜Pload的時(shí)候，變換器工作在放電狀態(tài)：此時(shí)可通過調(diào)節(jié)移相比，閉環(huán)控制直流母線電壓穩(wěn)定在V1ref左右。由式（11）可知，移相比在［－0.5，＋0.5］的區(qū)間里，傳輸功率與移相比成正相關(guān)。故我們可以判斷出放電狀態(tài)下PI調(diào)節(jié)的方向。

圖6 變換器的控制框圖Fig.6 Control block diagram of the converter

由以上分析可知，通過這種帶選通的閉環(huán)控制，可以控制移相角從而控制充放電時(shí)的輸出電壓以及功率流動。

3 實(shí)驗(yàn)分析

本文以DSP芯片TMS320F28335為控制芯片，搭建了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示。樣機(jī)主要參數(shù)見表1。

圖7 分布式風(fēng)光互補(bǔ)并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)樣機(jī)Fig.7 Prototype of distributed wind-photovoltaic-storage system

表1 樣機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the prototype

系統(tǒng)并網(wǎng)側(cè)的輸出電流波形如圖8所示。雙向DC-DC變換器高壓側(cè)所串電感的電流和端電壓波形如圖9所示，可以看出雙向DC-DC通過電感的充放電，完成了高壓側(cè)直流母線向低壓側(cè)蓄電池的充電過程。

圖8 逆變器輸出電流波形和電網(wǎng)電壓波形Fig.8 Output current waveform and grid voltage of inverter

圖9 雙向DC-DC電感電流和電壓波形Fig.9 Inductance current and voltage waveform of bi-directional DC-DC

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于雙向雙有源DC-DC變換器的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)和控制策略，并研究了該系統(tǒng)的核心部分—雙向DC-DC變換器的實(shí)現(xiàn)方式，詳細(xì)介紹了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作方式、功率特性和控制策略。理論分析和實(shí)驗(yàn)證明，雙向雙有源DC-DC變換器作為風(fēng)光儲系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，能夠豐富系統(tǒng)的工作模式，有效地提高風(fēng)機(jī)、太陽能系統(tǒng)的利用率。