朱筆能, 姚曉君, 朱述超

(1.蘇州蘇能集團(tuán)有限公司,江蘇 蘇州 215004;2.南京理工大學(xué),江蘇 南京 210094)

0 引言

為應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)化石能源的消耗而引起的全球氣候變化和環(huán)境污染,實(shí)現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,可再生的清潔能源在一次能源生產(chǎn)和消耗中的比重將逐步增大[1]。大量可再生能源發(fā)電并入中壓直流電網(wǎng)[2]中,雖然具有清潔無(wú)污染、可再生、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn),但不可忽視的是,其產(chǎn)生的電能具有波動(dòng)性和間歇性的問(wèn)題,大規(guī)模、可靠而穩(wěn)定地向電網(wǎng)或負(fù)荷輸送電能是一個(gè)難題。 將儲(chǔ)能電池用于中壓直流電網(wǎng)能很好地利用可再生能源,提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性[3]。 在直流電網(wǎng)中,直流母線(xiàn)和儲(chǔ)能電池之間電能需要雙向傳輸,因此,能夠進(jìn)行功率雙向傳輸?shù)膬?chǔ)能變流器是關(guān)鍵設(shè)備[4]。

在中壓直流電網(wǎng)中,儲(chǔ)能變流器需要給電池可靠地充放電。 當(dāng)可再生能源向直流母線(xiàn)發(fā)出的電能足夠給負(fù)載供電時(shí),儲(chǔ)能變流器給儲(chǔ)能電池進(jìn)行充電,將多余的能量存儲(chǔ)到電池中;當(dāng)可再生能源發(fā)出的電能不足以使負(fù)載正常運(yùn)行時(shí),電池通過(guò)儲(chǔ)能變流器向直流母線(xiàn)釋放能量。 在眾多雙向DC-DC 變流器拓?fù)渲?雙向有源H 橋變換器(Dual Active Bridge,DAB)具有電氣隔離、高功率密度、功率雙向流動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。雙向有源H 橋(DAB)最早在20 世紀(jì)80 年代末被提出[5],在控制策略和效率優(yōu)化方面受到了廣泛的關(guān)注[6-9],已經(jīng)發(fā)展成固態(tài)變壓器[10]、儲(chǔ)能[11-12]等變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[6-9]為了減小DAB 回流功率、電流應(yīng)力和實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān),提升DAB 整體運(yùn)行效率,各自提出了不同的移相控制策略并對(duì)如何提高效率進(jìn)行了分析,然而并沒(méi)有將DAB 用于實(shí)現(xiàn)直流母線(xiàn)和儲(chǔ)能電池之間電能的雙向傳輸和提出相應(yīng)的控制方法。 文獻(xiàn)[11-12]將DAB 用于給儲(chǔ)能電池充放電,但是其設(shè)計(jì)的單組DAB 電壓等級(jí)較低且傳輸?shù)墓β什淮?無(wú)法適用于中壓直流電網(wǎng)與大容量?jī)?chǔ)能電池之間大功率地傳輸電能。 文獻(xiàn)[13]研究了用于直流電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的DAB 運(yùn)行效率的計(jì)算方法。

本文針對(duì)中壓直流配電網(wǎng)設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能變流器及控制方法,用以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池的充電和放電功能。 針對(duì)現(xiàn)有研究設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能變流器功率容量小且電壓等級(jí)低的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)DAB 的理論和控制方法研究,最終將兩組DAB 輸入端串聯(lián)、輸出端并聯(lián)組合使用以增大設(shè)備的傳輸功率和電壓等級(jí)。 在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了電池充放電時(shí)的控制方法,同時(shí)為了減小電池充放電時(shí)的電流紋波,采用功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖交錯(cuò)移相控制的方法。 通過(guò)對(duì)DAB 的控制實(shí)現(xiàn)恒流—恒壓充電和恒流放電,仿真驗(yàn)證控制方法的可行性。

1 儲(chǔ)能變流器的控制原理

本文所提的儲(chǔ)能變流器采用模塊化設(shè)計(jì),功率模塊輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)能夠很好地滿(mǎn)足傳輸功率和器件耐壓的要求,單組功率模塊采用DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1 所示,模塊1 和模塊2 輸入側(cè)串聯(lián)之后接入中壓直流母線(xiàn),輸出端并聯(lián)接儲(chǔ)能電池組,用以實(shí)現(xiàn)中壓直流母線(xiàn)和儲(chǔ)能電池之間功率的雙向流動(dòng)。

圖1 用于中壓直流電網(wǎng)的儲(chǔ)能變流器

圖 1 中的DAB 由原邊H 橋和濾波電容Cin、副邊H 橋和濾波電容Cout以及連接它們的高頻隔離變壓器組成,隔離變壓器折算到輸入側(cè)的等效漏感為L(zhǎng)lk,隔離變壓器的變比為n。Uin為一次側(cè)的直流輸入電壓,Uout為二次側(cè)的直流輸出電壓,S1～S8為DAB 變流器的功率開(kāi)關(guān)管。

DAB 控制策略中廣泛使用的是單移相控制(Single Phase Shift,SPS),單移相控制下的各功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)、原邊H 橋和副邊H 橋橋臂中點(diǎn)的電壓upri和usec和漏感電流iL波形如圖2 所示,Ths為半個(gè)開(kāi)關(guān)周期。單移相原理為通過(guò)控制橋臂開(kāi)關(guān)管的通斷,形成高頻電壓方波upri和usec,控制這兩個(gè)電壓方波產(chǎn)生一定的相位差,由隔離變壓器的漏感傳輸能量,定義兩個(gè)方波之間的相位差與π的比值為移相比D。

圖2 單移相控制原理

單移相控制策略中只有upri和usec之間的移相比D這一個(gè)變量,根據(jù)圖2 中的波形可算得DAB 傳輸功率大小

由式(1)可知,電路參數(shù)和輸入輸出電壓確定的情況下,可以通過(guò)控制移相比D的大小來(lái)控制傳輸功率的方向和大小。 當(dāng)0＜D＜1 時(shí),中壓直流母線(xiàn)向電池傳輸功率,即充電模式。 當(dāng)-1＜D＜0,電池向中壓直流母線(xiàn)傳輸功率,即放電模式。

2 儲(chǔ)能變流器充放電控制策略

電池充電方法可以分為恒定電流充電和恒定電壓充電,本文選擇先進(jìn)行恒流充電,隨著充電過(guò)程的推進(jìn),電池的電壓不斷升高,電壓升高到一定數(shù)值之后切換為恒壓充電。 恒壓充電過(guò)程中,電池儲(chǔ)存的能量逐漸飽和,電池充電電流會(huì)逐漸下降,下降到一定值后停止充電。 當(dāng)電池向直流母線(xiàn)釋放能量時(shí),由于直流母線(xiàn)電壓基本恒定,因此,采用恒流放電,即保持電池輸出電流為恒定值。

在恒流充電階段,需要控制變流器輸出的電流恒定,由式(1)可知,在輸入側(cè)直流母線(xiàn)電壓確定的情況下,通過(guò)控制移相比D來(lái)控制傳輸功率大小進(jìn)而使得充電電流恒定,因此,恒流充電控制采用單個(gè)電流閉環(huán)控制即可實(shí)現(xiàn)。 然而DAB 主電路各元件參數(shù)在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法做到完全一致,會(huì)導(dǎo)致兩組DAB 傳輸?shù)墓β什痪?因此,需要額外的均壓均流控制。假設(shè)兩個(gè)模塊沒(méi)有傳輸功率損耗,Ui1、Ui2和Ii1、Ii2分別為兩組DAB 的輸入電壓和輸入電流,Uo1、Uo2和Io1、Io2分別為兩組DAB 的輸出電壓和輸出電流,根據(jù)功率關(guān)系可得

由于輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的結(jié)構(gòu),則有

因此,控制輸入側(cè)電壓均衡即可實(shí)現(xiàn)DAB 傳輸功率均衡,在單個(gè)電流閉環(huán)的基礎(chǔ)上加入兩個(gè)輸入側(cè)均壓環(huán)路控制,即當(dāng)兩組DAB 輸入側(cè)電壓不平衡時(shí)均壓環(huán)對(duì)移相比起修正作用。 恒流充電控制如圖3所示,Iref為充電電流給定值,Io為采樣得到的變流器總輸出電流,即電池的充電電流,是單組DAB 輸入電壓的參考值,且總是為中壓直流母線(xiàn)電壓的一半,Ui1和Ui2分別為兩組DAB 的采樣得到的輸入電壓,D1和D2分別為兩組DAB 的移相比。

圖3 恒流充電控制

在儲(chǔ)能電池的恒壓充電階段,需保持電池的端電壓恒定,給定充電電壓為Uref,通過(guò)電壓閉環(huán)來(lái)控制充電電壓為給定值Uref。 隨著充電過(guò)程的繼續(xù),充電電流逐漸減小,與恒流充電同理也需要加入均壓環(huán)控制輸入側(cè)電壓均衡,恒壓充電控制如圖4 所示,Ubat為采樣得到的電池端電壓。

圖4 恒壓充電控制

當(dāng)儲(chǔ)能電池需要向中壓直流母線(xiàn)釋放電能時(shí)采用恒流放電,即只改變了儲(chǔ)能變流器輸出電流的流向,因此,通過(guò)電流閉環(huán)使得電池放電電流為給定值,同時(shí)加入輸入側(cè)均壓控制環(huán)路,控制方法與恒流充電同理。

由于儲(chǔ)能電池內(nèi)部電阻極小,儲(chǔ)能變流器在給電池充放電時(shí)相當(dāng)于兩個(gè)電壓源在相互傳輸能量,因此,DAB 的輸出電流紋波較大。 輸入串聯(lián)、輸出并聯(lián)的儲(chǔ)能變流器具備DAB 的本質(zhì)特性和優(yōu)點(diǎn),儲(chǔ)能變流器采用了模塊化設(shè)計(jì),可以利用功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈動(dòng)交錯(cuò)移相控制方式減小充放電時(shí)的電流紋波,使得儲(chǔ)能變流器能夠更加平穩(wěn)地給電池進(jìn)行充電和放電。兩組DAB 功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)與其各輸出電流波形io1、io2如圖5 所示,tJ為模塊2 原邊H 橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)滯后模塊1 原邊H 橋驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)的時(shí)間,本文取tJ=Ths/4,D1和D2為上文所述控制方法得到的兩組DAB 的移相比,兩組DAB 輸出電流交錯(cuò)疊加從而減少總的輸出電流紋波。

圖5 驅(qū)動(dòng)脈沖和輸出電流時(shí)序

圖6 充電電流為74 A 時(shí)的對(duì)比

3 仿真結(jié)果與分析

本文儲(chǔ)能電池采用的是額定電壓為320 V、額定容量為148 Ah 的磷酸鐵鋰電池組,設(shè)計(jì)單組DAB 額定功率為25 kW,單組DAB 主電路參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真主電路參數(shù)

在MATLAB/Simulink 平臺(tái)搭建了基于上述控制方法和主電路參數(shù)的仿真模型,分別對(duì)恒流充電、恒壓充電、恒流放電的工作模式進(jìn)行仿真,驗(yàn)證控制的可行性。

首先,驗(yàn)證本文所提驅(qū)動(dòng)脈沖交錯(cuò)移相能夠減小電池充放電電流紋波的有效性,根據(jù)電池?cái)?shù)據(jù)手冊(cè),常規(guī)充電電流最大為74 A,在指定充電電流皆為74 A 時(shí)做仿真對(duì)比,圖 6(a)為驅(qū)動(dòng)脈沖不做交錯(cuò)移相控制的穩(wěn)態(tài)充電電流,圖 6(b)為驅(qū)動(dòng)脈沖做交錯(cuò)移相控制的穩(wěn)態(tài)充電電流,仿真結(jié)果表明,兩組DAB驅(qū)動(dòng)脈沖做交錯(cuò)移相對(duì)比脈沖不做交錯(cuò)移相時(shí)的充電電流紋波可以減小到一半以上。

其次,為驗(yàn)證本文所提儲(chǔ)能變流器充放電控制方法的有效性,本文采用的磷酸鐵鋰電池的最大充電和最大放電電流皆為148 A,設(shè)置電池的初始荷電狀態(tài)為80%。 仿真開(kāi)始時(shí)為恒流充電模式,指定充電電流為60 A。t=1 s 后切換到恒流放電模式,指定放電電流為60 A。 電池端電壓和充電電流的仿真結(jié)果如圖7 所示,仿真結(jié)果表明,充/放電電流可以達(dá)到給定值,即可以進(jìn)行恒流充電和恒流放電。

圖7 恒流充電仿真

在恒壓充電模式時(shí)設(shè)置充電電壓為349.5 V,即在恒流充電階段當(dāng)電池端電壓上升接近至349.5 V時(shí)切換為恒壓充電。 恒壓充電模式下穩(wěn)態(tài)時(shí)仿真運(yùn)行結(jié)果如圖8 所示,結(jié)果表明,輸出并聯(lián)的DAB 使得充電電壓保持恒定,同時(shí)電池的充電電流在不斷地下降。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)中壓直流電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的充放電需求,本文設(shè)計(jì)了一種儲(chǔ)變流器及其控制方法。 首先,儲(chǔ)能變流器采用功率模塊化設(shè)計(jì),提高了電壓等級(jí)和傳輸功率;功率模塊采用DAB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),加入輸入側(cè)均壓控制環(huán)路使兩組DAB 功率均衡,進(jìn)而又分別針對(duì)電池的充電和放電提出了各自的控制方法,即在充電模式時(shí),采用恒流充電與恒壓充電相結(jié)合的控制方法,在放電模式時(shí),采用恒流放電的控制方法。 其次,在電池充放電時(shí),由于其內(nèi)阻小,電流紋波較大,通過(guò)兩個(gè)功率模塊間的驅(qū)動(dòng)脈沖做交錯(cuò)移相的方法來(lái)減小充放電時(shí)的電流紋波。 最后,通過(guò)仿真充分驗(yàn)證了儲(chǔ)能變流器和控制策略可行性和有效性。