摘要：大功率雙向DC／DC變流器是電力儲能系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，三相交錯技術(shù)的引入克服了傳統(tǒng)單相DC／DC變流器的缺點。實驗結(jié)果表明，三相交錯式雙向DC／DC變流器應(yīng)用于電力儲能系統(tǒng)能獲得較好的電壓、電流波形，為電網(wǎng)及儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行供應(yīng)了保障。

關(guān)鍵詞：變流器；三相交錯；電力儲能

1引言

隨著大容量電池儲能技術(shù)的發(fā)展，化學(xué)電池電力儲能系統(tǒng)成為解決電力系統(tǒng)電能供需矛盾、改善供電質(zhì)量、提高電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性以及實現(xiàn)電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的全新途徑。其中雙向變流器肩負著電池充電及電能回網(wǎng)的重任，是儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其輸出電壓電流的質(zhì)量對化學(xué)電池的安全性能、使用壽命及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的用途。

傳統(tǒng)大功率雙向DC／DC變流器采用單相運行模式，對變流器容量、效率及輸出電能質(zhì)量的提高有一定限制用途。在此提出一種基于數(shù)字控制的三相交錯式雙向DC／DC儲能變流器控制方法。該控制器采用DSp和FpGA聯(lián)合控制模式，實現(xiàn)DC／DC變流器的三相交錯運行，有效地改善了系統(tǒng)的工作效率和輸出電能質(zhì)量，減小流經(jīng)各相電感的電流峰峰值及平均電流值，從而減小了開關(guān)管的電流應(yīng)力。另外，三相交錯DC／DC變流系統(tǒng)與有源逆變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，兩套系統(tǒng)同時基于pEBB模塊構(gòu)建，利于實現(xiàn)系統(tǒng)模塊化結(jié)構(gòu)。

電力儲能系統(tǒng)中蓄電池的充電方式一般有恒壓限流、恒流限壓、先恒流后恒壓等模式。無論選用哪種模式，在充電初期及后期都存在充電電流過大或過小的問題，假如電流紋波過大則會對某些電流紋波敏感型蓄電池出現(xiàn)危害。當蓄電池放電時，變流器工作在Boost模式，電路中電感的充放電用途必然造成蓄電池輸出電流紋波的出現(xiàn)。采用三相交錯技術(shù)構(gòu)建的變流器可以有效減小蓄電池充放電電流紋波，進而減小電流紋波對某些類型蓄電池的危害。

2三相交錯式雙向DC／DC儲能變流器

在此采用以pEBB模塊為基本單元的三相交錯拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。系統(tǒng)采用DSp與FpGA聯(lián)合控制方式，變流器電壓電流信號經(jīng)DSp采樣形成反饋信號，與給定信號比較后經(jīng)過pI運算單元得到pWM占空比，DSp出現(xiàn)的pWM驅(qū)動信號經(jīng)FpGA移相后送至pEBB模塊，驅(qū)動功率管的開斷。虛線框內(nèi)，pEBB模塊由6個功率開關(guān)管和6個功率二極管組成，并形成三相橋臂并聯(lián)連結(jié)結(jié)構(gòu)。當變流器工作在單相模式時，6個功率開關(guān)管只有一個處于一定頻率的開關(guān)狀態(tài)，其他5個處于閑置狀態(tài)：當變流器工作在三相交錯模式時，Buck電路中3個上管交替導(dǎo)通，3個下管處于關(guān)閉狀態(tài)，Boost電路中3個下管交替導(dǎo)通，3個上管處于關(guān)閉狀態(tài)。

假設(shè)變流器工作在單相Buck模式時單個功率管的開關(guān)周期為T，該功率管pWM驅(qū)動波形的占空比為D，輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，電感值為L。變流器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當功率管VS開通，二極管VD關(guān)斷時，L處于充電狀態(tài)，則電感電流正向變化量為：

當VS關(guān)斷，VD開通時，L處于放電狀態(tài)，則電感電流負向變化量為：

三相交錯模式下，保持與單相模式相同的輸入輸出，并保持功率管的開關(guān)頻率不變，3個功率管交替導(dǎo)通且互差120°，設(shè)其驅(qū)動波形占空比分別為D1，D2，D3。當VS1導(dǎo)通時，電感L1處于充電狀態(tài)，電感電流正向變化量為：

式中：t0為VS1關(guān)斷時刻；t1，t2為VS2開通與關(guān)斷時刻；t3，t4為VS3開通與關(guān)斷時刻。

變流器穩(wěn)態(tài)工作時，△iL1+=△iL1-，則有：

Uo／Ui=D1+D2+D3=D(6)

為了便于pWM驅(qū)動波形的移相設(shè)計，取D1=D2=D3=D／3。當VS2，VS，開斷及Boost模式下結(jié)論相同。三相交錯變流器工作在Buck模式時，3個橋臂的工作時序如圖2a～c所示。前T／3，VS1以D／3開斷；中間T／3周期，VS3以D／3開斷；后T／3，VS5以D／3開斷。當功率管開通時，Ui直接加在輸出端，當功率管關(guān)斷時，功率二極管實現(xiàn)續(xù)流用途。同理，三相交錯變流器工作在Boost模式時，3個橋臂工作時序如圖2d～f所示。

該系統(tǒng)設(shè)定Buck模式對蓄電池充電，Boost模式蓄電池放電。如圖2所示，三相交錯Buck模式下，變流器對蓄電池充電，假設(shè)充電電流為恒定I，流經(jīng)3個電感的平均電流分別為IL1，IL2，IL3。由于三相橋臂采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有I=IL1+IL2+IL3，在三相電路結(jié)構(gòu)完全相同的情況下，有IL1=IL2=IL3=I／3，而單相模式時相同的充電電流下iL=I。Buck模式下，電感電流紋波系數(shù)計算式為：

式中：d為開關(guān)管驅(qū)動波形的占空比；fs為開關(guān)頻率。

由上述可知，三相模式下的fs與單相相同，d=D／3，電感電流為單相模式的1／3，可得ri不變，電流紋波為單相模式的1／3。因此，在相同頻率及電感等運行條件下，較單相模式DC／DC變流器，三相交錯模式DC／DC變流器流經(jīng)電感的電流較小，且三相電流波峰互差120°，疊加后總電流紋波減小。同樣，三相交錯Boost模式下，蓄電池處于放電狀態(tài)，放電電流等于三相電感電流之和，放電電流紋波及電感電流都比單相模式小。

3三相交錯pWM驅(qū)動波形的出現(xiàn)方式

該變流器數(shù)字控制系統(tǒng)采用DSp作為主控器，通過配置DSp內(nèi)部事件管理器(EV)的各寄存器，可出現(xiàn)6路互不干擾的pWM驅(qū)動波形。雙向

DC／DC變流器可工作在獨立pWM和互補pWM兩種模式下，在此選擇獨立pWM工作方式。即當系統(tǒng)工作在Buck模式時，僅上橋臂功率管工作，所有下橋臂功率管可靠關(guān)斷；當系統(tǒng)工作在Boost模式時，僅下橋臂功率管工作，所有上橋臂功率管可靠關(guān)斷。由于EV基于同一個時鐘信號出現(xiàn)pWM驅(qū)動波，各pWM波同相位，要經(jīng)過移相才能應(yīng)用于三相交錯變流器系統(tǒng)。在此采用FpGA內(nèi)部FIFO存儲器實現(xiàn)pWM波形移相功能。

在QuartusⅡ中，F(xiàn)IFO模型可用MegaWizard創(chuàng)建，也可用HDL代碼創(chuàng)建，兩種創(chuàng)建方式實際都是對存儲器進行參數(shù)配置的過程，在此選用

VHDL語言創(chuàng)建該模型。該系統(tǒng)設(shè)定功率管開關(guān)頻率為5kHz，因此DSp應(yīng)出現(xiàn)周期為200ms的pWM驅(qū)動波形，對其進行60°和120°移相，實際就是進行200／3ms和400／3ms的延時。選用頻率為33MHz的FpGA，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)讀入讀出的頻率直接使用系統(tǒng)頻率，若要出現(xiàn)200／3ms的延時，F(xiàn)IFO壓棧深度應(yīng)該為2200，若要出現(xiàn)400／3ms的延時，F(xiàn)IFO壓棧深度應(yīng)該為4400，因此配置FIFO最大壓棧深度為8192，對應(yīng)地址寬度為13。系統(tǒng)Boost，Buck驅(qū)動波形相互獨立，F(xiàn)IFO位寬設(shè)置為2，分別實現(xiàn)Buck與Boost驅(qū)動波形的移相。

配置兩個FIFO模型FIFO1與FIFO2，分別設(shè)置兩個計數(shù)變量，使得FIFO1讀使能滯后寫使能2200個系統(tǒng)時鐘周期，則出現(xiàn)60°波形移相；使得FIFO2讀使能滯后寫使能4400個系統(tǒng)時鐘周期，則出現(xiàn)120°波形移相。最后要對FIFO模型進行端口映射，其輸入映射到DSp的pWM輸出端，輸出映射到pEBB模塊驅(qū)動輸入端，復(fù)位信號端映射到DSp輸出移相使能端。當輸出使能端有效時，F(xiàn)pGA對三相驅(qū)動波形進行相應(yīng)移相，系統(tǒng)工作在三相交錯模式；當輸出使能無效時，F(xiàn)pGA直接輸出一相原始波形，系統(tǒng)工作在單相模式，如此可以輕松實現(xiàn)兩種模式的切換。

4實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述模型搭建實驗平臺，pEBB選用IGBT模塊。直流輸入由三相調(diào)壓器通過三相整流橋整流得到，Boost模式下模擬蓄電池放電；負載為50Ω大功率電阻，Buck模式下模擬蓄電池充電。

圖3示出系統(tǒng)Buck模式下三相pWM波形移相QuartusⅡ仿真結(jié)果與實測結(jié)果。分析波形可知，三相驅(qū)動波互差60°，誤差在30ns以內(nèi)，完全符合設(shè)計要求。

圖4a，b為系統(tǒng)Buck恒壓模式下工作于單相模式和三相模式時的實驗波形。其中Uo，Io分別為變流器輸出直流電壓電流，iL為電感電流，Ibat為電池側(cè)輸出電流。兩種模式工作在相同參數(shù)下，輸入直流電壓300V，Buck輸出直流電壓200V，輸出電流4A。圖4c，d為系統(tǒng)Boost恒壓模式下工作于單相模式和三相模式時的實驗波形。兩種模式工作在相同參數(shù)下，輸入直流電壓100V，Boost輸出直流電壓200V。

分析實驗波形可得單相模式與三相模式下，雙向DC／DC儲能變流器的輸入輸出電壓電流峰峰值、紋波系數(shù)，電感電流峰峰值、平均值、紋波系數(shù)如表1所示。

比較三相系統(tǒng)與單相系統(tǒng)數(shù)據(jù)，Buck模式下，由于濾波電容的用途，兩系統(tǒng)輸出電壓電流紋波相差不大，三相系統(tǒng)略小于單相系統(tǒng)，三相系統(tǒng)下的iL峰峰值遠小于單相系統(tǒng)，iL平均值約為單相系統(tǒng)的1／3；Boost模式下，三相系統(tǒng)輸出電壓紋波較小，三相系統(tǒng)電池側(cè)輸出電流峰峰值較小，電池側(cè)輸出電流紋波系數(shù)約為單相系統(tǒng)的1／3，三相系統(tǒng)下的iL峰峰值遠小于單相系統(tǒng)，iL平均值約為單相系統(tǒng)的1／3。

實驗結(jié)果證實，與單相模式相比，在運行條件相同的情況下，三相交錯雙向DC／DC變流器有如下優(yōu)點：①輸入輸出電流平均分配到3對橋臂上，減小了開關(guān)管的電流應(yīng)力，防止了開關(guān)管、輸出電感等器件過于疲勞，發(fā)熱過于集中等問題；②由于3對橋臂交替導(dǎo)通，輸入輸出電流相互疊加且互差1200°，電流紋波大大減?。虎塾捎诟飨嘀谐袚碾娏鳒p小，可以采用更為小型的輸出電感，提高負載的瞬變應(yīng)答能力。

5結(jié)論

基于DSp與FpGA聯(lián)合控制方式，結(jié)合pEBB模塊，實現(xiàn)雙向DC／DC儲能變流器的三相交錯運行模式。實驗結(jié)果表明，該方式可以有效減小系統(tǒng)輸出電壓電流紋波，改善電能質(zhì)量，使得電力儲能系統(tǒng)綜合性能大大提高，適應(yīng)不同儲能電池的能力大大增強。