基于雙向DC/DC變換器的直流電網(wǎng)穩(wěn)定性分析

付文秀，曹建萍，張學(xué)瑾

（上海船舶設(shè)備研究所，上海200031）

0 引言

新能源化和電力清潔化已成為當(dāng)今能源消費的潮流，新能源和清潔能源正在席卷能源消費的各個領(lǐng)域。當(dāng)然，作為現(xiàn)代社會重要的交通工具，船舶也成為新能源化對象。現(xiàn)代船舶特別是遠(yuǎn)洋船舶因功率大等原因，傳統(tǒng)的化石燃料使得船舶的污染非常嚴(yán)重。資料顯示，傳統(tǒng)柴油機(jī)船舶在行駛過程中造成的大氣污染及水污染十分驚人，一噸柴油燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳、一氧化碳和碳?xì)浠衔锏牧慷挤浅４蟆３鲇诃h(huán)境保護(hù)等原因，船舶新能源化勢在必行。如今，新能源化的觸角已觸及遠(yuǎn)洋船舶清潔能源化和內(nèi)河航運船舶電動化等[1-4]。新能源船舶均采用直流組網(wǎng)形式，包括鋰電池純電動船以及混合動力船舶等，這些新能源在使用過程中，由于其供電不穩(wěn)定，必須在系統(tǒng)中加入大的儲能單元來調(diào)節(jié)能量供應(yīng)，保證系統(tǒng)能量持續(xù)與平穩(wěn)，然而隨著大量電力電子元器件的應(yīng)用，需要解決的技術(shù)風(fēng)險之一即是直流組網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)今船舶電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究主要針對交流系統(tǒng)，針對直流組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定控制拓?fù)涞难芯肯鄬^少，對影響直流組網(wǎng)電壓穩(wěn)定的因素只有定性的分析[5-6]。雙向DC/DC變頻器作為連接蓄電池和直流母排的橋梁，除了具備對電池組充放電控制功能外，還需對直流母線電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行控制，是直流組網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵性技術(shù)之一。

本文基于雙向DC/DC變換器控制技術(shù)，對含有鋰電池的新能源船舶的直流組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，對DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行比對，結(jié)合蓄電池充放電控制，對三相交錯式并聯(lián)雙向DC/DC控制策略及電路參數(shù)進(jìn)行了選擇和設(shè)計，結(jié)合某實船系統(tǒng)，對直流組網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)生功率突升或突卸的情況，以及故障穿越進(jìn)行分析，結(jié)果表明，基于該DC/DC控制策略，能夠有效解決新能源船舶直流組網(wǎng)系統(tǒng)的電能品質(zhì)和穩(wěn)定性問題。

1 DC/DC變換器拓?fù)浞治?/h2>

目前常用的拓?fù)溆?種，分別為雙向T型Buck-Boost變換器、雙向Buck-Boost變換器、雙向Cuk變換器和雙向Sepic-Zeta變換器。這類拓?fù)涞膬?yōu)點是可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、效率高，缺點是電壓變比不能過大，電池儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)之間沒有電氣隔離，對蓄電池的安全運行造成不利影響[7-10]。

三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。采用此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提升變換器容量，更加適用于大功率場合，能夠使各個器件承受的電流應(yīng)力減小，等效地提升系統(tǒng)的開關(guān)頻率，在相同電流紋波系數(shù)的要求下，電感的設(shè)計量減小，所需電感的總重量大為減輕[11-13]。

圖1 三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 DC/DC變換器控制策略及參數(shù)設(shè)計

在實際運行工作中，蓄電池與電網(wǎng)之間通過變換器裝置交換能量，變換器裝置的控制方式和策略對于蓄電池的性能和壽命有著至關(guān)重要的影響。變換器不僅要具有傳統(tǒng)的穩(wěn)定充放電功能，還需要滿足蓄電池電壓的寬范圍運行、快速充放電響應(yīng)以及直流網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定性等要求。

2.1 參數(shù)設(shè)計

圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，S1～S6為IGBT開關(guān)管，V1～V6為續(xù)流二極管，L1～L3為直流濾波器，用于濾除電池側(cè)紋波，Udc為直流網(wǎng)側(cè)電壓，Cdc為直流母線側(cè)電容，主要作用是在Boost模式下開關(guān)管導(dǎo)通時進(jìn)行供電，直接決定了直流電壓的紋波。對雙向DC/DC變換器主電路參數(shù)的選型設(shè)計主要是電容Cdc和濾波電感L。考慮到雙向DC/DC變換器的Boost和Buck兩個方向工作特性，電感L取值應(yīng)滿足下式

2.2 控制策略設(shè)計

雙向DC/DC變換器的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，在雙向供電模式即Boost和Buck模式下，均考慮直流網(wǎng)側(cè)電壓的穩(wěn)定性控制，Uref為電壓環(huán)給定，即直流母線網(wǎng)側(cè)電壓給定值，通過電壓外環(huán)采樣，PID閉環(huán)控制，用于實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定控制。考慮直流母線電壓紋波，本文設(shè)計的電壓環(huán)濾波器用于消除紋波帶來的影響，通過電壓環(huán)控制器后得到三相電感的給定值，與三相電感電流平均值進(jìn)行比較后，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)以及電壓修正，通過基于載波的脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）轉(zhuǎn)換器生成控制脈沖。

圖2 雙向DC/DC 變換器控制結(jié)構(gòu)

3 穩(wěn)定性仿真分析

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以某實船直流組網(wǎng)供電系統(tǒng)為例，其系統(tǒng)組成如圖3所示，該直流組網(wǎng)系統(tǒng)由2套鋰電池組供電，驅(qū)動2套直流負(fù)載。每套電池組容量為226.8 kW·h，電壓為837 V，直流母線電壓為DC 1 000 V，為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性需求，各個變頻模塊均需對直流網(wǎng)側(cè)電壓進(jìn)行控制，本案例基于DC/DC雙向變換器對電壓側(cè)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.2 仿真分析

在Matlab/Simulink平臺上搭建了基于第3節(jié)本文所述控制策略和參數(shù)設(shè)計方法的直流組網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如下所示：雙向DC/DC變換器直流側(cè)電容Cdc取值為4 800 uf；濾波電感L取值為1.6 mH；電壓環(huán)PID參數(shù)為Kp_V＝0.4，Ki_V＝2；電流環(huán)PID參數(shù)為Kp_IB＝0.1，Ki_IB＝0.5；直流網(wǎng)側(cè)電壓1 000 V；直流負(fù)載1容量200 kW，通過DC/AC逆變器并網(wǎng)；直流側(cè)負(fù)載2為直流線性負(fù)載，功率為135 kW；雙向DC/DC變換器開關(guān)頻率為5 kHz；欠壓保護(hù)設(shè)置值為461 V。

仿真設(shè)置1：1）仿真初期，2蓄電池組在網(wǎng)，空載運行，在0.2 s突加直流負(fù)載2，0.26 s突卸直流負(fù)載2，0.32 s突加直流負(fù)載2，0.38 s突卸直流負(fù)載2；2）在0.5 s投入直流負(fù)載1，0.6 s母排短路，短路后1 ms切除故障母線，故障母線所帶直流負(fù)載1和電池組2同時切除。

仿真設(shè)置2：蓄電池組1在網(wǎng)，帶載，100 kW，0.4 s電池組由放電模式轉(zhuǎn)為充電模式，充電功率100 kW

仿真結(jié)果及分析如圖4所示。

圖3 某船直流組網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 仿真設(shè)置1直流母線電壓仿真波形

圖5 仿真設(shè)置1電池組1雙向DC/DC 變換器直流網(wǎng)側(cè)電流波形

圖6 仿真設(shè)置2直流母線電壓仿真波形

圖7 仿真設(shè)置2電池組1雙向DC/DC變換器直流網(wǎng)側(cè)電流波形

圖4和圖5為仿真設(shè)置1（突加突卸負(fù)載和故障恢復(fù)）情況下，直流母線的仿真波形，圖6和圖7為放電模式轉(zhuǎn)為充電模式情況下，直流母線的仿真波形。由圖6和圖7可見：突加突卸負(fù)載時，直流母線電壓波動較小，最大值約為（1 000－950）/1 000＝5%，且能夠在較短時間（約0.03 s）內(nèi)恢復(fù)到額定電壓偏差±3%以內(nèi)，未引起直流母線電能品質(zhì)劇烈變化，且動態(tài)響應(yīng)快；在直流母線短路故障時，在1 ms時間時切除故障母線的情況下，直流母線電壓跌落到784.5 V，未達(dá)到DC/DC變換器的欠壓保護(hù)值，DC/DC變換器不會閉鎖停機(jī)，且一般直流母線保護(hù)裝置動作時間均在微秒級，直流母線電壓跌落會更小，故障切除時非故障側(cè)直流母線貢獻(xiàn)的短路電流也會更小，DC/DC變換器模塊保護(hù)裝置不會動作。由圖6和圖7可見，蓄電池組從放電模式轉(zhuǎn)為充電模式時，電壓波動和電流波動均在規(guī)定范圍內(nèi)，動態(tài)響應(yīng)時間在0.03 s以內(nèi)，均可滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

4 結(jié)論

本文基于雙向DC/DC變換器和雙閉環(huán)控制策略和參數(shù)設(shè)計，對含有動力電池組的直流組網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，涵蓋負(fù)載頻繁突加突卸，及故障恢復(fù)和充放電轉(zhuǎn)換的暫態(tài)特性。結(jié)果表明，設(shè)計的三相交錯式DC/DC變換器控制策略能夠有效的實現(xiàn)直流網(wǎng)側(cè)母線電壓的穩(wěn)定控制及充放電模式轉(zhuǎn)換，通過仿真驗證了所提策略以及穩(wěn)定性的有效性，可滿足直流組網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)范要求，具有一定實用價值。