宋 麗，趙興勇

(山西大學(xué) 工程學(xué)院 電力工程系，山西 太原 0 30013)

基于變環(huán)寬控制的三相雙向DC/DC變換器研究

宋 麗，趙興勇

(山西大學(xué) 工程學(xué)院 電力工程系，山西 太原 0 30013)

為了實現(xiàn)儲能變流器控制精度高、響應(yīng)速度快的要求，將模擬電路作為主控制系統(tǒng)硬件電路?？刂品绞竭x用了跟蹤速度快、易實現(xiàn)的滯環(huán)控制，并且針對傳統(tǒng)滯環(huán)控制存在開關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺點，采用了變環(huán)寬控制的方式。此外主電路采用了三相雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，提高了整個系統(tǒng)的開關(guān)頻率，減小了總輸出電流的脈動幅值。

變流器;雙向DC/DC變換;變環(huán)寬控制;開關(guān)頻率

0 引言

由于在電池儲能系統(tǒng)中，儲能變流器不僅需要將電網(wǎng)側(cè)的交流電進(jìn)行AC/DC轉(zhuǎn)換，還需要高性能的雙向DC/DC變換器對電池側(cè)的直流電進(jìn)行變換，使得能量可以雙向流動，從而達(dá)到一定的節(jié)能效果［1～4］。本文主要就是針對雙向DC/DC變換器的設(shè)計。

本設(shè)計中DC/DC變換器的主要控制部分由模擬系統(tǒng)實現(xiàn)，采用經(jīng)典的PI控制與滯環(huán)控制相結(jié)合。滯環(huán)控制是一種簡單有效的跟蹤控制方式，它具有實時控制、電流響應(yīng)快、對負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)、有內(nèi)在的限流能力等明顯優(yōu)勢，但也存在輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量、電流脈動大等缺點。此外，滯環(huán)控制的環(huán)寬對控制的性能有較大的影響。環(huán)寬過寬時，開關(guān)動作頻率低，但跟蹤誤差增大;環(huán)寬過窄時，跟蹤誤差減小，但是開關(guān)頻率過高，甚至?xí)^開關(guān)器件允許頻率范圍，開關(guān)損耗隨之增大［5，6］。因此，本文采用了可變環(huán)寬控制的方式。

1 三相雙向DC/DC變換器介紹

DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很多種，通過對比分析，考慮實現(xiàn)能量的雙向流動，且系統(tǒng)綜合效率較高的因素，本文采用非隔離式的雙向半橋電路拓?fù)洌?～9］，此外設(shè)計中還考慮使用了多重化技術(shù)，將移相為120°的3個模塊并聯(lián)，即三相升/降壓結(jié)構(gòu)，達(dá)到減小電流波動的目的。如圖1所示，本設(shè)計中的變換器電力電子接口采用的是先進(jìn)的混合集成功率器件IPM模塊，模塊內(nèi)部集成了6個IGBT及相應(yīng)的短路和驅(qū)動電壓欠壓保護(hù)電路。當(dāng)系統(tǒng)電路工作在降壓狀態(tài)時，S1，S3，S5依次導(dǎo)通;當(dāng)電路工作在升壓狀態(tài)時，S2，S4，S6依次導(dǎo)通。

圖1 DC/DC電路拓?fù)?/p>

2 基于變環(huán)寬控制的雙向DC/DC控制原理

目前鋰電池最常用的充電方法:首先以恒定電流充電，當(dāng)電壓達(dá)到預(yù)定值時，進(jìn)行恒壓充電，這時電流會逐漸減小;當(dāng)充電電流下降到零時，電池完全充滿。放電時采用恒壓放電的方式。這也就要求DC/DC變換器能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行恒流恒壓充放電，所以需要控制的是電池側(cè)的電流與電壓， 其基本控制方式如圖2所示。

圖2 DC/DC控制框圖

這是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以進(jìn)行電壓模式與電流模式控制［10］，兩種模式的切換通過框圖中的模擬開關(guān)來實現(xiàn)。對于電壓模式，控制采用電壓電流雙環(huán)，電壓環(huán)作為控制外環(huán)，電流環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)。電池側(cè)電壓值與給定電壓值的誤差進(jìn)入PI調(diào)節(jié)器后，輸出的結(jié)果作為電流內(nèi)環(huán)的給定值，再與采樣電流值進(jìn)行滯環(huán)比較，輸出PWM波，控制開關(guān)器件的導(dǎo)通，最終實現(xiàn)恒壓的目的。對于電流模式，由一個電流控制環(huán)實現(xiàn)，此時模擬開關(guān)的使能端選通電流給定輸出端，通過電池側(cè)電感電流采樣值與電流給定值進(jìn)行滯環(huán)比較，對各開關(guān)器件進(jìn)行控制，將實際電流跟蹤給定值，實現(xiàn)恒流的目的。圖3為滯環(huán)控制的基本原理圖。

圖3 滯環(huán)控制基本原理圖

電壓電流的給定值都由上位機(jī)控制，可以通過改變給定值的正負(fù)來改變能量的流動方向。若規(guī)定電池在充電時，電壓給定值為正值，電流的方向為正方向，則電池放電時，電壓給定值變?yōu)樨?fù)值，此時電流的方向為負(fù)方向。

由于本次設(shè)計采用的是變環(huán)寬的控制方法［11］，下面將對環(huán)寬值的計算進(jìn)行推導(dǎo)。如圖1所示，Vdc是直流母線側(cè)電壓，Vbat是直流電池側(cè)電壓，iL是電感電流。H表示滯環(huán)寬度。下面公式的推導(dǎo)可參看圖3。

此時電流變化率ΔiL=2H/t1代入上式則有2HL/t1=Vdc－Vbat

由公式 (4)可知，由于母線電壓Vdc與濾波電感L是固定的，Vbat是變化的，所以當(dāng)采取固定環(huán)寬H時，開關(guān)頻率fs是隨著電池電壓Vbat變化的。如果環(huán)寬H可以動態(tài)調(diào)整，就可以實現(xiàn)開關(guān)頻率fs保持不變。為此，可對公式 (4)進(jìn)行變換，得

公式 (5)即為可變滯環(huán)寬度的計算公式，只需實時采樣輸出電壓Vbat的值，通過模擬電路運算，實時調(diào)整滯環(huán)寬度H即可實現(xiàn)開關(guān)頻率的穩(wěn)定。

3 變環(huán)寬的電路設(shè)計

前面已經(jīng)提到本次設(shè)計的硬件電路是采用模擬電路實現(xiàn)的，所以設(shè)計好滯環(huán)部分的計算電路顯得尤為重要，圖4所示的是變環(huán)寬控制電路的框圖。根據(jù)滯環(huán)控制的原理可知，滯環(huán)的上下限是由基準(zhǔn)值加減滯環(huán)寬度得到的，其中基準(zhǔn)值是由前面的PI調(diào)節(jié)器的輸出結(jié)果經(jīng)過限幅穩(wěn)壓電路得到，設(shè)計電路如圖5所示;而可變的滯環(huán)寬度是由電池側(cè)的反饋電壓值與+5 V的電壓經(jīng)過乘法運算后得到，設(shè)計電路如圖6所示;基準(zhǔn)值與環(huán)寬值通過加法、減法電路計算得出最終的滯環(huán)上下限，設(shè)計電路如圖7所示。將電池側(cè)電感電流的采樣值與滯環(huán)上下限值相比就會得到相應(yīng)的高低電平信號，從而驅(qū)動IGBT的導(dǎo)通。

圖4 變環(huán)寬控制電路框圖

圖5 基準(zhǔn)值產(chǎn)生電路

4 實驗結(jié)果

為了驗證定環(huán)寬與變環(huán)寬的控制效果，對兩種控制進(jìn)行了降壓模式下的實驗對比。取直流母線側(cè)的電壓為600 V，低壓側(cè)依次從100 V取至500 V。

圖6 變環(huán)寬值計算電路

圖7 滯環(huán)上下限計算電路

為方便對比，取一個實驗標(biāo)準(zhǔn)值，即當(dāng)DC/DC變換電路從600 V降至300 V時，變環(huán)寬值為H=0.078 V，定環(huán)寬控制也取環(huán)寬值為H=0.078 V，此時兩種控制頻率一致為20 kHz。在不同的實驗電壓下，將記錄的實驗結(jié)果列表如表1所示。

表1 定環(huán)寬與變環(huán)寬控制對比

由實驗結(jié)果可看出，變環(huán)寬控制在不同實驗電壓下，能夠較好地保持開關(guān)頻率的穩(wěn)定，而定環(huán)寬控制頻率變化比較大，顯然變環(huán)寬控制更具優(yōu)勢。圖8中顯示了定環(huán)寬控制在不同電壓下的頻率變化。

圖8 定環(huán)寬控制在不同電壓下開關(guān)頻率

由于三相結(jié)構(gòu)雙向DC/DC變換器主電路由3個半橋單元電路并聯(lián)而成，3個單管交替工作，在不增加單管開關(guān)頻率的前提下，總輸出電流為3個單元電路輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。而3個單元電流的脈動幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動幅值變得很小。圖9所示的是三相結(jié)構(gòu)的電路中，降壓狀態(tài)下的開關(guān)管驅(qū)動波形，以及輸出電流波形。

為了考驗本次設(shè)計的變換器在一些突變情況下的穩(wěn)定性能，還進(jìn)行了動態(tài)響應(yīng)實驗，圖10是在降壓狀態(tài)下，母線側(cè)電壓Udc發(fā)生變化時，電池測的電流Ibat的變化情況，可以看出電流變化的響應(yīng)時間是在3 ms左右，速度較快。

圖9 三相結(jié)構(gòu)的電路三個管子依次導(dǎo)通的PWM波及總電流波形

圖10 動態(tài)響應(yīng)實驗

5 結(jié)論

通過實驗驗證，本設(shè)計采用變環(huán)寬控制的三相雙向DC/DC變換器具有良好的控制效果，可以在不同的電壓下較好地保持開關(guān)頻率的穩(wěn)定，且動態(tài)響應(yīng)速度較快。同時這種三相結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器主電路，提高了整個系統(tǒng)的開關(guān)頻率，減小了總的輸出電流脈動幅值。

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Study on Three-Phase Bidirectional DC/DC Converter Based on Variable Hysteresis-Band Control

Song Li，Zhao Xingyong

(Department of Electric Engineering，Engineering College of Shanxi University，Taiyuan 030013，China)

In order to realize the energy storage converter's requirements for high control precision and fast response，this paper adopts analog circuit as the hardware circuit of the main control system．The hysteresis control method is selected which has many advantages，such as high tracking speed and easy to realize．For traditional hysteresis control method has the disadvantage of uncertain switching frequency，the variable hysteresis-band control method has been used．This paper also employs three-phase bi-directional DC/DC converter main circuit to improve the switching frequency of the whole system and reduces the ripple amplitude of the total output current．

converter;bi-directional DC/DC convert;variable hysteresis-band control;switching frequency

TM46

A

10.3969/j.issn.1672-0792.2014.04.005

2013－12－01。

宋麗 (1982-)，女，助教，研究方向為儲能變流器，E-mail:songli0212@163．com。