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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)的滯環(huán)控制，并且針對(duì)傳統(tǒng)滯環(huán)控制存在開(kāi)關(guān)頻率不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，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(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，減小了總輸出電流的脈動(dòng)幅值。

變流器;雙向DC/DC變換;變環(huán)寬控制;開(kāi)關(guān)頻率

0 引言

由于在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)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(duì)電池側(cè)的直流電進(jìn)行變換，使得能量可以雙向流動(dòng)，從而達(dá)到一定的節(jié)能效果［1～4］。本文主要就是針對(duì)雙向DC/DC變換器的設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)中DC/DC變換器的主要控制部分由模擬系統(tǒng)實(shí)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(jiǎn)單有效的跟蹤控制方式，它具有實(shí)時(shí)控制、電流響應(yīng)快、對(duì)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(shì)，但也存在輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量、電流脈動(dòng)大等缺點(diǎn)。此外，滯環(huán)控制的環(huán)寬對(duì)控制的性能有較大的影響。環(huán)寬過(guò)寬時(shí)，開(kāi)關(guān)動(dòng)作頻率低，但跟蹤誤差增大;環(huán)寬過(guò)窄時(shí)，跟蹤誤差減小，但是開(kāi)關(guān)頻率過(guò)高，甚至?xí)^(guò)開(kāi)關(guān)器件允許頻率范圍，開(kāi)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(guò)對(duì)比分析，考慮實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，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(jì)中還考慮使用了多重化技術(shù)，將移相為120°的3個(gè)模塊并聯(lián)，即三相升/降壓結(jié)構(gòu)，達(dá)到減小電流波動(dòng)的目的。如圖1所示，本設(shè)計(jì)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(gè)IGBT及相應(yīng)的短路和驅(qū)動(dòng)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(shí)，S1，S3，S5依次導(dǎo)通;當(dāng)電路工作在升壓狀態(tài)時(shí)，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(shí)，進(jìn)行恒壓充電，這時(shí)電流會(huì)逐漸減小;當(dāng)充電電流下降到零時(shí)，電池完全充滿(mǎn)。放電時(shí)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(gè)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(guò)框圖中的模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)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(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通，最終實(shí)現(xiàn)恒壓的目的。對(duì)于電流模式，由一個(gè)電流控制環(huán)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)模擬開(kāi)關(guān)的使能端選通電流給定輸出端，通過(guò)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(duì)各開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行控制，將實(shí)際電流跟蹤給定值，實(shí)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(guò)改變給定值的正負(fù)來(lái)改變能量的流動(dòng)方向。若規(guī)定電池在充電時(shí)，電壓給定值為正值，電流的方向?yàn)檎较颍瑒t電池放電時(shí)，電壓給定值變?yōu)樨?fù)值，此時(shí)電流的方向?yàn)樨?fù)方向。

由于本次設(shè)計(jì)采用的是變環(huán)寬的控制方法［11］，下面將對(duì)環(huán)寬值的計(jì)算進(jìn)行推導(dǎo)。如圖1所示，Vdc是直流母線(xiàn)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(shí)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(xiàn)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(shí)，開(kāi)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(dòng)態(tài)調(diào)整，就可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率fs保持不變。為此，可對(duì)公式 (4)進(jìn)行變換，得

公式 (5)即為可變滯環(huán)寬度的計(jì)算公式，只需實(shí)時(shí)采樣輸出電壓Vbat的值，通過(guò)模擬電路運(yùn)算，實(shí)時(shí)調(diào)整滯環(huán)寬度H即可實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定。

3 變環(huán)寬的電路設(shè)計(jì)

前面已經(jīng)提到本次設(shè)計(jì)的硬件電路是采用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，所以設(shè)計(jì)好滯環(huán)部分的計(jì)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(guò)限幅穩(wěn)壓電路得到，設(shè)計(jì)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(guò)乘法運(yùn)算后得到，設(shè)計(jì)電路如圖6所示;基準(zhǔn)值與環(huán)寬值通過(guò)加法、減法電路計(jì)算得出最終的滯環(huán)上下限，設(shè)計(jì)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(huì)得到相應(yīng)的高低電平信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證定環(huán)寬與變環(huán)寬的控制效果，對(duì)兩種控制進(jìn)行了降壓模式下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。取直流母線(xiàn)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(jì)算電路

圖7 滯環(huán)上下限計(jì)算電路

為方便對(duì)比，取一個(gè)實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值，即當(dāng)DC/DC變換電路從600 V降至300 V時(shí)，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(shí)兩種控制頻率一致為20 kHz。在不同的實(shí)驗(yàn)電壓下，將記錄的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列表如表1所示。

表1 定環(huán)寬與變環(huán)寬控制對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，變環(huán)寬控制在不同實(shí)驗(yàn)電壓下，能夠較好地保持開(kāi)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(shì)。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(kāi)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(gè)半橋單元電路并聯(lián)而成，3個(gè)單管交替工作，在不增加單管開(kāi)關(guān)頻率的前提下，總輸出電流為3個(gè)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(dòng)頻率也為3倍。而3個(gè)單元電流的脈動(dòng)幅值互相抵消，使總的輸出電流脈動(dòng)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(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形，以及輸出電流波形。

為了考驗(yàn)本次設(shè)計(jì)的變換器在一些突變情況下的穩(wěn)定性能，還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，圖10是在降壓狀態(tài)下，母線(xiàn)側(cè)電壓Udc發(fā)生變化時(shí)，電池測(cè)的電流Ibat的變化情況，可以看出電流變化的響應(yīng)時(shí)間是在3 ms左右，速度較快。

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

圖10 動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)頻率的穩(wěn)定，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快。同時(shí)這種三相結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器主電路，提高了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率，減小了總的輸出電流脈動(dòng)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?yàn)閮?chǔ)能變流器，E-mail:songli0212@163．com。