一種新型DC/DC變換器的設計

摘要：基于全釩液流電池(VRB)并網(wǎng)與離網(wǎng)運行的需要，設計了一種無(wú)源吸收的DC/DC變換器，避免了電路諧振對電池端的影響，并抑制了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)電壓尖峰。詳細分析了電路工作原理，并設計了電路電流內環(huán)和電壓外環(huán)控制器的參數。實(shí)驗結果證明了無(wú)源吸收的DC/DC變換器設計的正確性。

1 引言

VRB用于電力存儲時(shí)，電池側電壓較低，接入電網(wǎng)運行時(shí)，必須通過(guò)DC/DC變換器將直流儲能模塊與微電源并接在電力電子接口設備的直流母線(xiàn)側，并通過(guò)此接口設備實(shí)現微電源及儲能模塊與電網(wǎng)的能量變換和控制。文獻介紹了一種移相全橋DC/DC電路拓撲，但存在不足。與推挽全橋電路工作原理類(lèi)似，硬開(kāi)關(guān)脈寬調制(PWM)控制下，蓄電池直接與全橋DC/DC變換器連接，由于DC/DC變換器中存在變壓器漏感，會(huì )引起開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)電壓尖峰，且電感與電容的諧振會(huì )對蓄電池側的電壓產(chǎn)生干擾，嚴重影響蓄電池的壽命。

在此基于硬開(kāi)關(guān)PWM控制下的全橋DC/DC電路拓撲，設計了一種應用于VRB并網(wǎng)系統的大功率DC/DC變換器，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

2 系統拓撲

2.1 主電路拓撲

圖1為大功率VRB并網(wǎng)系統主電路拓撲，整個(gè)并網(wǎng)系統采用兩級控制，第1級采用全橋DC/DC電路，對蓄電池側電壓進(jìn)行升壓，并給直流負載供電，第2級采用單相逆變器，給交流負載供電。Km1，Km2為接觸器，用于選擇交、直流負載。

電路中Llk為串聯(lián)電感與高頻變壓器初級漏感之和，高頻變壓器次級采用二極管整流，電感L、電容C濾波的方式得到穩定的電壓源。利用穩定的直流電壓源，可實(shí)現蓄電池的并網(wǎng)運行，控制逆變器的并網(wǎng)電流即可有效控制蓄電池的并網(wǎng)功率。電路中，Lc，Cc，VDc，Rs構成了一個(gè)無(wú)源吸收的網(wǎng)絡(luò )，可有效避免DC/DC變換器的諧振對蓄電池側的影響，并抑制了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)電壓尖峰。

2.2 系統工作原理

圖2為大功率VRB DC/DC變換器主電路工作原理，整個(gè)開(kāi)關(guān)過(guò)程有14個(gè)階段，由于對稱(chēng)性，僅需考慮7個(gè)開(kāi)關(guān)階段，假設所有電流變化階段都是線(xiàn)性的。電路采用硬開(kāi)關(guān)PWM控制方式，控制開(kāi)關(guān)管的導通占空比d，即可控制電路輸出。

主電路輸入電壓Uin=45～60 V，變壓器變比n=1：10，變壓器初級電感Llk=15μH，Lc=1.5μH，開(kāi)關(guān)頻率fs=20 kHz，Cc=10μF，Rs=40 Ω，輸出濾波電感L=550μH，C=2.2 mF。

3 全釩液流電池

3.1 電池等效電路

圖3為VRB等效電路模型，用受控電壓源模擬堆棧電壓Usta，受荷電狀態(tài)(SOC)和電池單體電壓影響，泵損被等效為受控電流源，其數值與電池堆棧電流Ista和SOC有關(guān)，VRB等效內阻損耗表示為Rrea和Rres，VRB等效外部寄生損耗表示為Rfix和泵損Ipum，VRB動(dòng)態(tài)響應能力用電極電容Cele表示。

3.2 電池仿真模型

根據電池等效電路模型和方程式可建立VRB仿真模型，其功率為5 kW，由39個(gè)電池單體組成，電池內部損耗為15%，其中Prea為9%，Pres為6%，雜散損耗為6%，寄生損耗為2%，泵損為4%。電池靜置時(shí)，端電壓為42 V，電流為112 A。

根據式(1)計算的參數和VRB的內部關(guān)系，即可搭建VRB的仿真模型。

4 控制器參數設計

4.1 小信號建模

可將電路等效成一個(gè)Buck電路，開(kāi)關(guān)管V的開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，占空比do=d。V導通時(shí)，Ui加到負載回路上，Ui=2nUin;V斷開(kāi)時(shí)，二極管VD進(jìn)行續流，電路的控制結構如圖4所示。

通過(guò)其小信號模型，推導出其傳遞函數?？刂?/p>

圖5為5 kW VRB DC/DC變換器控制框圖。

4.2 電流內環(huán)、電壓外環(huán)參數設計

未加控制器時(shí)，電流內環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數為：

Gid(s)=(0.68s+12.5)/(3.672x10-7s2+1.495x10-4s+1) (4)

加入電流內環(huán)控制器Gi(s)=(Kps+Ki)/s，選擇ωm=600 rad·s-1，則-20lgKp=L(ωc)，Ki=Kpωm，故Kp=0.008，Ki=4.8，圖6a為電流內環(huán)波特圖，校正前截止頻率1.85x106 rad·s-1，相角裕度90°，校正后截止頻率降至設定頻率7.83x103rad·s-1，相角裕度84.3°。加入電流內環(huán)控制器后電壓外環(huán)開(kāi)環(huán)傳遞函數為：

Gud(s)=(5.44×10-3s2+3.854s+69)/(3.672x10-7s3+5.59x10-3s2+4.854s+69) (5)

加入電壓外環(huán)控制器Gu(s)=(Kps+Ki)/s，選擇ωm=100 rad·s-1，則Kp=0.93，Ki=93，圖6b為電壓外環(huán)波特圖。校正后其截止頻率為1.31x103rad·s-1，相角裕度為91.4°，系統相角、幅值裕度都得到提升，穩定性得到保障。

5 實(shí)驗

基于5 kW的VRB反應堆，電池由36個(gè)單體組成，搭建了5 kW VRB放電系統的實(shí)驗平臺，實(shí)驗參數與上文一致。圖7示出實(shí)驗波形。

由圖7c可見(jiàn)，無(wú)源吸收網(wǎng)絡(luò )保證了電池側電壓不受后級電路影響，從而保證電路的正常工作。

6 結論

設計了一種應用于全釩液流電池并網(wǎng)系統的大功率DC/DC變換器，有效避免了DC/DC變換器的諧振對蓄電池側的影響，并抑制了開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)電壓尖峰，通過(guò)實(shí)驗結果驗證了其正確性。