一種新型DC/DC變換器的設(shè)計(jì)

摘要：基于全釩液流電池(VRB)并網(wǎng)與離網(wǎng)運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)了一種無源吸收的DC/DC變換器，避免了電路諧振對(duì)電池端的影響，并抑制了開關(guān)器件的開關(guān)電壓尖峰。詳細(xì)分析了電路工作原理，并設(shè)計(jì)了電路電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)控制器的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了無源吸收的DC/DC變換器設(shè)計(jì)的正確性。

1 引言

VRB用于電力存儲(chǔ)時(shí)，電池側(cè)電壓較低，接入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，必須通過DC/DC變換器將直流儲(chǔ)能模塊與微電源并接在電力電子接口設(shè)備的直流母線側(cè)，并通過此接口設(shè)備實(shí)現(xiàn)微電源及儲(chǔ)能模塊與電網(wǎng)的能量變換和控制。文獻(xiàn)介紹了一種移相全橋DC/DC電路拓?fù)洌嬖诓蛔?。與推挽全橋電路工作原理類似，硬開關(guān)脈寬調(diào)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)引起開關(guān)管開關(guān)電壓尖峰，且電感與電容的諧振會(huì)對(duì)蓄電池側(cè)的電壓產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響蓄電池的壽命。

在此基于硬開關(guān)PWM控制下的全橋DC/DC電路拓?fù)?，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于VRB并網(wǎng)系統(tǒng)的大功率DC/DC變換器，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2.1 主電路拓?fù)?/p>

圖1為大功率VRB并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓?fù)?，整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)采用兩級(jí)控制，第1級(jí)采用全橋DC/DC電路，對(duì)蓄電池側(cè)電壓進(jìn)行升壓，并給直流負(fù)載供電，第2級(jí)采用單相逆變器，給交流負(fù)載供電。Km1，Km2為接觸器，用于選擇交、直流負(fù)載。

電路中Llk為串聯(lián)電感與高頻變壓器初級(jí)漏感之和，高頻變壓器次級(jí)采用二極管整流，電感L、電容C濾波的方式得到穩(wěn)定的電壓源。利用穩(wěn)定的直流電壓源，可實(shí)現(xiàn)蓄電池的并網(wǎng)運(yùn)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(gòu)成了一個(gè)無源吸收的網(wǎng)絡(luò)，可有效避免DC/DC變換器的諧振對(duì)蓄電池側(cè)的影響，并抑制了開關(guān)器件的開關(guān)電壓尖峰。

2.2 系統(tǒng)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)開關(guān)過程有14個(gè)階段，由于對(duì)稱性，僅需考慮7個(gè)開關(guān)階段，假設(shè)所有電流變化階段都是線性的。電路采用硬開關(guān)PWM控制方式，控制開關(guān)管的導(dǎo)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(jí)電感Llk=15μH，Lc=1.5μH，開關(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(shù)值與電池堆棧電流Ista和SOC有關(guān)，VRB等效內(nèi)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(yīng)能力用電極電容Cele表示。

3.2 電池仿真模型

根據(jù)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(nèi)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(jù)式(1)計(jì)算的參數(shù)和VRB的內(nèi)部關(guān)系，即可搭建VRB的仿真模型。

4 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1 小信號(hào)建模

可將電路等效成一個(gè)Buck電路，開關(guān)管V的開關(guān)周期為T，占空比do=d。V導(dǎo)通時(shí)，Ui加到負(fù)載回路上，Ui=2nUin;V斷開時(shí)，二極管VD進(jìn)行續(xù)流，電路的控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

通過其小信號(hào)模型，推導(dǎo)出其傳遞函數(shù)?？刂?/p>

圖5為5 kW VRB DC/DC變換器控制框圖。

4.2 電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)參數(shù)設(shè)計(jì)

未加控制器時(shí)，電流內(nèi)環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

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

加入電流內(nèi)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(nèi)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(shè)定頻率7.83x103rad·s-1，相角裕度84.3°。加入電流內(nèi)環(huán)控制器后電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)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(tǒng)相角、幅值裕度都得到提升，穩(wěn)定性得到保障。

5 實(shí)驗(yàn)

基于5 kW的VRB反應(yīng)堆，電池由36個(gè)單體組成，搭建了5 kW VRB放電系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與上文一致。圖7示出實(shí)驗(yàn)波形。

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

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于全釩液流電池并網(wǎng)系統(tǒng)的大功率DC/DC變換器，有效避免了DC/DC變換器的諧振對(duì)蓄電池側(cè)的影響，并抑制了開關(guān)器件的開關(guān)電壓尖峰，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其正確性。