趙德驥，馮玉龍，莊 偉

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.中國船舶重工集團公司第711研究所，上海 201108)

一種三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的研究

趙德驥1，馮玉龍2，莊 偉2

(1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.中國船舶重工集團公司第711研究所，上海 201108)

雙向DC/DC變換器是電力儲能系統(tǒng)的重要組成部分，針對傳統(tǒng)單相雙向DC/DC變換器儲能電感過大，變換器功率較低的缺點，文中提出了一種三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上分析了其工作原理及控制策略，并進行了仿真驗證。仿真結(jié)果表明，三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器應用于電力儲能系統(tǒng)能獲得較好的電壓、電流波形，有效降低電感電流，提升系統(tǒng)的功率等級，為電網(wǎng)及儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了保障。

雙向DC/DC變換器；三相交錯；儲能系統(tǒng)

雙向直流(DC/DC)變換器是能夠根據(jù)實際需求，在維持直流變換器兩端電壓極性不變的條件下調(diào)節(jié)能量雙向流動的設(shè)備。其在功能上類似于兩個單向直流變換器，是一種特殊的“一機兩用”設(shè)備[1-2]。雙向直流變換器在需要能量雙向流通的場合可以減少系統(tǒng)的重量、體積以及成本，能量傳輸便于控制，成為目前電力電子研究領(lǐng)域的熱點,在UPS電源、分布式發(fā)電、航空航天、直流電機驅(qū)動系統(tǒng)、新能源應用等場合得到廣泛應用，具有重要的研究價值和廣闊的應用前景[3-4]。

目前多數(shù)的雙向DC/DC變換器使用單相電路結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)需要的儲能電感體積和重量過大，導致變換器安裝不方便，而且當電路功率較大時，開關(guān)管的電流應力也很大，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的可靠性。本文將三相交錯并聯(lián)技術(shù)運用于儲能系統(tǒng)雙向直流變換器中，以減小各相電路電感電流，降低電流紋波系數(shù)，降低開關(guān)器件的電流應力，提高變換器的功率等級[5-7]。所采用的控制策略能夠有效控制儲能裝置的充電、放電，滿足系統(tǒng)需求。

1 三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

圖1為三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)。主功率電路由6個IGBT(S1～S6)和6個二極管(D1～D6)組成。C1為直流母線側(cè)電容；L1～L3為儲能電感；Udc為直流母線端電壓；Ubat為蓄電池端電壓。

圖1 三相交錯并聯(lián)DC/DC變換器

1.2 工作原理

雙向DC/DC變換器負責控制蓄電池組和直流母線之間的能量傳遞，主要有兩種工作模式，即控制蓄電池組放電的Boost模式以及控制蓄電池組充電的Buck模式，從而達到能量雙向流動的目的[8]。

(1)Boost模式。當雙向DC/DC變換器工作于Boost模式時，能量由蓄電池組流向直流母線端，以維持直流母線的電壓穩(wěn)定。此時電路中下面3個開關(guān)管S4、S5、S6交替導通。開關(guān)管S4、S5、S6的占空比分別為d4、d5、d6，且0.5

模態(tài)1[t0～t3]：如圖2a所示，Boost模式下第一相Boost電路工作，t0時刻，S4導通，電感L1充電，電感電流il1增大；t3時刻，S4關(guān)斷，電路通過D1續(xù)流，電感電流iL1減??；

圖2 Boost模式下各模態(tài)的等效電路

模態(tài)2[t1～t4]：如圖2(b)所示，Boost模式下第二相Boost電路工作，t1時刻，S5導通，電感L2充電，電感電流iL2增大；t4時刻，S5關(guān)斷，電路通過D2續(xù)流，電感電流iL2減??；

模態(tài)3[t2～t6]：如圖2(c)所示，Boost模式下第三相Boost電路工作，t2時刻，S6導通，電感L3充電，電感電流iL3增大；t6時刻，S6關(guān)斷，電路通過D3續(xù)流，電感電流iL3減小。

圖3 Boost模式下電路的主要波形

由以上3種工作模態(tài)得到一個開關(guān)周期T內(nèi)電路在Boost模式下的主要波形，如圖3所示。電流I0為雙向DC/DC變換器在Boost模式下的輸出電流，由3路電感電流經(jīng)電容C1濾波后疊加得到。

(2)Buck模式。當雙向DC/DC變換器工作于Buck模式時，能量由直流母線側(cè)流向蓄電池組，對蓄電池組進行充電。此時電路中上面3個開關(guān)管S1、S2、S3交替導通。開關(guān)管S1、S2、S3的占空比分別為d1、d2、d3,且0

模態(tài)1[t0～t2]：如圖4(a)所示，第一相電路工作。to時刻，S4導通，電感L1充電，電感電流iL1增大；t1時刻，S4關(guān)斷，電路通過D1續(xù)流，電感電流iL1減小；

由表1可知，大壩上游壩坡在各種運行工況下穩(wěn)定性較差，均小于規(guī)范允許值；特別是在工況5，上游壩坡安全系數(shù)僅有0.98。說明上游壩坡存在失穩(wěn)可能，而下游壩坡穩(wěn)定性較好，因此需重點加固上游壩坡。

模態(tài)2[t2～t4]：如圖4(b)所示，第二相電路工作，t2時刻，S5導通，電感L2充電，電感電流iL2增大；t3時刻，S5關(guān)斷，電路通過D2續(xù)流，電感電流iL2減小。

模態(tài)3[t4～t6]：如圖4(c)所示，第三相電路工作，t4時刻，S6導通，電感L3充電，電感電流iL3增大；t5時刻，S6關(guān)斷，電路通過D3續(xù)流，電感電流iL3減小。

圖4 Buck模式下各模態(tài)的等效電路

由以上3種工作模態(tài)，得到一個開關(guān)周期T內(nèi)電路在Buck模式下的主要波形，如圖5所示。圖中電流I0為雙向DC/DC變換器Buck模式下的輸出電流，由3個電感電流iL1、iL2和iL3疊加后得到。

圖5 Buck模式下電路的主要波形

2 電感電容的計算選擇

2.1 儲能電感的選擇

雙向DC/DC變換器中電感是一個重要的器件，主要負責雙向DC/DC變換器的能量傳遞。本系統(tǒng)采用電流連續(xù)工作模式，電感參數(shù)的設(shè)計主要考慮電流的紋波系數(shù)。

計算電感的大小值，首先應確定流經(jīng)電感的電流紋波ΔiL的值。從電感線圈的體積、重量、響應等方面考慮，ΔiL取輸出電流的10%～30%較為合適[9]。在本系統(tǒng)中，為了更好的限制輸出電流中的紋波含量，取ΔiL為輸出電流的10%。

綜上，可求得電感的大小

(1)

式中，Udc為高壓側(cè)直流母線電壓；Ubat為低壓側(cè)蓄電池組電壓；D為Buck模式下的占空比；ΔiL為電感的電流紋波；f為開關(guān)管的開關(guān)頻率[10-11]。

2.2 直流母線電容的選擇

直流母線側(cè)電容在系統(tǒng)中的作用主要是抑制直流母線電壓波動。在選擇電容時，既要考慮直流母線電壓對額定電壓的跟蹤性能，不能將電容容量選的過大，也要考慮直流母線電壓的抗干擾性，不能將電容容量選的太小。

按照Boost電路設(shè)計輸出電容，輸出電壓波動量等于開關(guān)管導通期間電容向負載放電引起的電壓變化量。它應滿足

(2)

式中，Udc為直流母線電壓；ΔUdc為直流母線電容C1的紋波電壓；f為開關(guān)管頻率；p為直流母線瞬時加載功率；D為Boost模式下的占空比[12]。

再考慮瞬時加入負載造成的母線電壓降落來設(shè)計電容容量。以瞬時加載造成的母線電壓降落為母線額定電壓的20%計算，加載瞬間，電感電流不能突變，很大一部分功率由電容提供[13]。

根據(jù)能量守恒，可得

(3)

式中，U1和U2表示初始電壓和最低電壓；P表示輸出功率；t表示電感電流達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間；K為t時刻內(nèi)電容提供能量所占總輸出能量比例，選取0.3，根據(jù)式(2)和式(3)即可求得電容容量大小。

3 控制策略

為確保系統(tǒng)正常高效工作，控制電路的設(shè)計至關(guān)重要。三相交錯并聯(lián)DC/DC變換器控制電路主要滿足以下要求：(1)各相電路運行時必須均流，以提高系統(tǒng)運行的可靠性；(2)控制策略能有效控制能量的雙向流動，實現(xiàn)Boost模式與Buck模式的切換；(3)合理設(shè)計控制環(huán)節(jié)結(jié)構(gòu)以及參數(shù)，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且獲得較好的動態(tài)響應特性[14]。

圖6為變換器的控制框圖。變換器輸出電壓信號和電感電流信號經(jīng)采樣后作為反饋信號，與給定參考信號比較，經(jīng)PI控制器和限幅處理，與經(jīng)移相處理的三角載波比較后產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，送至驅(qū)動模塊，驅(qū)動開關(guān)管的通斷。兩種工作模式均采用雙環(huán)控制方式，以電感電流作為內(nèi)環(huán)，輸出電壓作為電壓外環(huán)的反饋。Boost模式以直流母線電壓作為外環(huán)，Buck模式以蓄電池組電壓作為外環(huán)[15-16]。

圖6 雙向DC/DC變換器控制框圖

4 仿真驗證

為驗證三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的優(yōu)越性，搭建了Simulink模型進行仿真。Udc=1 000 V；電感L1=L2=L3=8 mH；C1=2 200 mF；開關(guān)頻率f=8 kHz；蓄電池組額定電壓為360 V。

圖7為變換器工作于各電路的主要仿真波形。U0為輸出電壓，iL為電感電流。

圖7 各模態(tài)電路仿真波形

運行模式BoostBuck單相三相單相三相U0平均值999.5999.6359.5356.7U0峰峰值/V21.23.30.2U0紋波系數(shù)/%0.200.120.920.06iL平均值/A14047.5359.5119.6iL峰峰值/A433.31.1iL總紋波系數(shù)/%2.862.10.920.31

比較單相電路和三相交錯并聯(lián)電路的仿真數(shù)據(jù)，Boost模式下，三相電路輸出電壓紋波明顯小于單相電路，三相電路下的iL峰峰值略小于單相電路，同時三相電路iL平均值約為單相電路的1/3；Buck模式下三相電路電壓紋波系數(shù)和電感電流紋波系數(shù)明顯小于單相電路，并且三相電路iL平均值約為單相電路1/3。

5 結(jié)束語

通過分析基于儲能系統(tǒng)的雙向DC/DC變換器的運行原理，提出了三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)，建立了三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器仿真模型。仿真結(jié)果表明，該型變換器能有效減小各相電感電流，減小開關(guān)管的電流應力，同時也減小了電流紋波系數(shù)與電壓紋波系數(shù)，并且有效控制蓄電池組充放電，提高了雙向DC/DC變換器的功率等級。

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Study of a Three-phase Interleaved Bi-directional DC/DC Converter

ZHAO Deji1，F(xiàn)ENG Yulong2，ZHUANG Wei2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. China Shipbuilding Industry Corporation 711 Research Institute,Shanghai 201108,China)

The bi-directional DC/DC converter is an important part of the power energy storage system. Due to the using of single-phase circuit structure, traditional bi-directional DC/DC converter’s energy storage inductance is too large, the ascension of the converter power has limited. In this paper, a three-phase interleaved bi-directional DC/DC converter topology is proposed, and its working principle and control strategy are analyzed, and the simulation results are also presented. The simulation results show that the three-phase interleaved bi-directional DC/ DC converter used in electric power energy storage system can achieve better voltage and current waveforms, effectively reduce the inductance current, enhance the power level of electric system, provides a guarantee for the safe and stable operation of the power grid and energy storage system .

bi-directional DC/DC converter;three phase parallel connection;power storage system

2016- 07- 22

滬江基金資助項目(B1402/D1402)

趙德驥(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：電氣工程。馮玉龍(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：電力推進系統(tǒng)集成。莊偉(1982-)，男，博士研究生。研究方向：電力推進系統(tǒng)集成。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.013

TN86;TM46

A

1007-7820(2017)01-046-05