韓 涵　李銳華　胡 波　胡 浩

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一種電流源型雙向儲(chǔ)能變流器設(shè)計(jì)

韓 涵李銳華胡 波胡 浩

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804）

針對(duì)電壓源型AC-DC儲(chǔ)能變流器存在低壓調(diào)節(jié)范圍小、電流紋波大的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種三相電流源型AC-DC變換器與特殊的隔離型DC-DC變換器相結(jié)合的兩級(jí)式儲(chǔ)能變流器?；贒SP TMS320F28335和SVPWM控制策略實(shí)現(xiàn)了對(duì)該變流器的數(shù)字化控制，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行院陀行浴?/p>

儲(chǔ)能變流器；電流源型變換器；空間矢量調(diào)制

環(huán)境污染和能源危機(jī)問(wèn)題的日益嚴(yán)峻促使分布式新能源發(fā)電在我國(guó)發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中所占的比例逐年增加，然而分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)易隨環(huán)境波動(dòng)、難以預(yù)測(cè)的特性對(duì)電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定、可靠性和電能質(zhì)量產(chǎn)生影響[1-4]。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種能量存儲(chǔ)媒介，具有雙向功率能力和靈活調(diào)節(jié)特性，可以有效改善可再生能源發(fā)電功率波動(dòng)性與間歇性，對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的負(fù)面影響，提高電網(wǎng)對(duì)分布式新能源的接納能力，因此具有廣闊的應(yīng)用前景[5-8]。

儲(chǔ)能變流器作為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中關(guān)鍵部件之一，可將不同種類(lèi)電池存儲(chǔ)的直流能量轉(zhuǎn)換為符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的交流電能。長(zhǎng)期以來(lái)，電壓型儲(chǔ)能變流器以其較低的損耗、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及控制等優(yōu)點(diǎn)在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[9]。但是電壓型變換器從交流側(cè)到直流側(cè)具有升壓特性，導(dǎo)致其在低壓范圍內(nèi)調(diào)節(jié)范圍小，如需滿(mǎn)足系統(tǒng)寬范圍電壓輸出的要求，電壓型AC-DC變換器還需額外的DC-DC降壓電路[10]。而且電壓型變換器直流側(cè)輸出電流紋波大，蓄電池對(duì)電流紋波非常敏感，電流紋波過(guò)大會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成嚴(yán)重?fù)p害[11]。

針對(duì)上述問(wèn)題，由于電流型變換器從交流側(cè)至直流側(cè)為降壓特性具有寬范圍的電壓輸出和電流調(diào)節(jié)能力，而且輸出電流紋波小，因此電流源型變換器比電壓型變換器在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一種基于電流源型變換器的雙向儲(chǔ)能變流器。該變流器采用三相電流源型AC-DC變換器與特殊隔離型DC-DC變換器相結(jié)合的兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)低壓范圍內(nèi)寬范圍的電壓、電流調(diào)節(jié)，并且輔以特殊隔離型DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以及能夠改變系統(tǒng)直流側(cè)電流方向，實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。并基于DSP TMS320F28335和SVPWM控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)該變流器的數(shù)字控制。最后研制了一套10kW的變流器測(cè)試樣機(jī)。測(cè)試結(jié)果表明，該變流器在低壓范圍內(nèi)電壓輸出范圍大，可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了該變流器設(shè)計(jì)方案的可行性和有效性。

1 變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

該變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。有三相電流源型AC-DC變流器CSC I、電流源型DC-DC變流器CSC II、高頻變壓器HFT和電壓源型DC-DC變流器VSC等幾個(gè)主要組成部分。

主電路工作在充電模式時(shí)，網(wǎng)側(cè)交流電通過(guò)濾波器和三相電流源型AC-DC變流器CSC I后，調(diào)制成直流電，直流電通過(guò)高頻變壓器一次側(cè)的電流源型變流器CSC II逆變成方波，方波再經(jīng)過(guò)二次側(cè)續(xù)流二極管不控整流，最后輸出電壓和電流均可調(diào)節(jié)的直流電。在充電模式下，環(huán)流開(kāi)關(guān)S17一直處于開(kāi)通狀態(tài)，確保直流電感DC的放電回路，并且提高效率。

圖1 模擬系統(tǒng)主電路拓?fù)?/p>

主電路工作在放電模式時(shí)，負(fù)載端的直流電通過(guò)高頻變壓器二次側(cè)的電壓源型變流器VSC逆變成方波，方波通過(guò)高頻變壓器二次側(cè)與IGBT串聯(lián)的二極管進(jìn)行不控整流，輸出直流電，最后由三相電流源型AC-DC變流器CSC I逆變成交流電，將能量回饋至電網(wǎng)。放電模式下，環(huán)流開(kāi)關(guān)S17一直處于斷開(kāi)狀態(tài)。

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 充電模式下控制策略設(shè)計(jì)

針對(duì)模擬系統(tǒng)的電路拓?fù)?，其電源模式下的等效電路如圖2所示。由于CSC I中的PWM調(diào)制頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)電壓頻率，所以在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，可將圖1中電網(wǎng)側(cè)交流電壓視為一個(gè)恒定值s，CSC I的開(kāi)關(guān)S11—S16用開(kāi)關(guān)S表示，二極管D代表充電模式下D17所在支路，隔離型DC-DC變流器使直流輸出側(cè)等效為直流電容[12]。由等效電路可以看出，網(wǎng)側(cè)至直流側(cè)三相電流源型AC-DC變流器CSC I、直流電感DC、隔離型DC-DC變流器構(gòu)成了基本的Buck電路。

圖2 充電模式的等效電路

根據(jù)Buck電路瞬時(shí)電流控制原理，當(dāng)開(kāi)關(guān)S開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，直流電感的電流波動(dòng)如圖3所示。分別在開(kāi)關(guān)S開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，列出電感電壓表達(dá)式，最后整理得出

式中，為占空比；s為開(kāi)關(guān)周期；ON為開(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí)間；dc為直流側(cè)給定電壓；1和3如圖3所示分別為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)起始時(shí)刻電流和s時(shí)刻 電流。

圖3 充電模式直流電感LDC的電流波形

3作為電流指令值*，并且加入PI控制后，占空比計(jì)算式即可表示為

空間矢量控制的極角計(jì)算式為

因此，在充電模式下，依據(jù)式（2）和式（3）得到占空比和電壓空間矢量極角，實(shí)現(xiàn)電流源型AC-DC變流器的空間矢量調(diào)制，達(dá)到輸出電壓、電流調(diào)節(jié)的目的。

2.2 放電模式下控制策略設(shè)計(jì)

圖4為放電模式下的等效電路。由于相位超前充電模式180°相位角，因此S方向相反。由于隔離型DC-DC變流器次級(jí)輸出電流與電源模式下的電流方向相反，所以dc方向也相反。從直流側(cè)至網(wǎng)側(cè)→隔離型DC-DC變流器→直流電感DC→電流源型AC-DC變流器CSC I構(gòu)成了基本的Boost電路。

圖4 放電模式的等效電路

根據(jù)Boost電路瞬時(shí)電流控制原理，開(kāi)關(guān)S在開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，直流電感的電流波動(dòng)如圖5所示。分別在開(kāi)關(guān)S開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)，列出電感電壓表達(dá)式，最后整理得出

在放電模式下，電流指令值和電流反饋值方向與式（4）相反，經(jīng)過(guò)符號(hào)反向處理，再加入PI控制器，空間矢量控制的占空比計(jì)算式整理為

可以得出占空比計(jì)算同充電模式下相同。放電模式下，空間矢量極角計(jì)算式為

因此，在放電工作模式下，可以通過(guò)式（5）和式（6）的控制策略得到占空比和電壓空間矢量極角，實(shí)現(xiàn)電流源型AC-DC變流器的空間矢量調(diào)制，達(dá)到控制網(wǎng)側(cè)電流相位和電流正弦化的目的。

綜上所述，系統(tǒng)CSC I部分的控制框圖如圖6所示?？臻g矢量調(diào)制所需相位角由鎖相環(huán)PLL獲得，占空比由上述公式得到，a、b分別為網(wǎng)側(cè)電壓，dc為給定直流電壓，dc為直流側(cè)反饋電流，*dc為直流給定電流。根據(jù)此控制策略，可以進(jìn)行直流側(cè)恒壓、恒流控制，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化和電流相位控制。

圖6 系統(tǒng)控制框圖

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行院陀行?，利用PSIM電力電子仿真平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：輸入線(xiàn)電壓為380V，額定頻率為50Hz，額定輸出功率為10kW，電網(wǎng)側(cè)濾波電容AC為15mF，濾波電感AC為0.46mH，高頻變壓器原副邊匝數(shù)比為1，直流側(cè)電感DC為2.5mH，負(fù)載類(lèi)型為受控的理想電池，負(fù)載端電壓、電流服從給定，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。

圖7和圖8分別為直流側(cè)電流參考值改變情況下，系統(tǒng)直流側(cè)電流波形和網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形。

圖7 直流側(cè)指令電流Idcr和實(shí)際電流Idc

圖8 網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流

dcr為直流側(cè)指令電流，dc為實(shí)際輸出電流，a和a為網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流，dcr為正值時(shí)系統(tǒng)工作在充電模式，dcr為負(fù)值時(shí)系統(tǒng)工作在放電模式。從仿真結(jié)果可以看出，直流側(cè)電流參考值改變情況下，直流側(cè)輸出電流連續(xù)可調(diào)，電流紋波小，并且網(wǎng)側(cè)電流正弦度良好，可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。

圖9、圖10和圖11分別為直流側(cè)電壓參考值不同時(shí)，系統(tǒng)直流側(cè)電壓波形和占空比響應(yīng)曲線(xiàn)以及網(wǎng)側(cè)電壓、電流波形。

圖9 直流側(cè)指令電壓Vdcr和實(shí)際電壓Vdc

圖10 占空比m響應(yīng)曲線(xiàn)

dcr為直流側(cè)指令電壓，dc為實(shí)際輸出電壓，a和a為網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流。從仿真結(jié)果可以看出，直流側(cè)輸出電壓連續(xù)可調(diào)，系統(tǒng)低壓調(diào)節(jié)范圍大，占空比與直流側(cè)輸出電壓呈正比關(guān)系，并且系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行在高功率因數(shù)下。

圖11 網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流

4 變流器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行院陀行?，搭建了基于DSP TMS320F28335的硬件實(shí)物系統(tǒng)，其系統(tǒng)硬件框圖如圖12所示。

本系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)主要由系統(tǒng)主功率電路、分立功能電路、控制電路組成和輔助部分4個(gè)部分組成。系統(tǒng)主功率電路是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要部分，分立功能電路包括電壓和電流檢測(cè)模塊、功率器件驅(qū)動(dòng)電路?？刂齐娐酚蒁SP及其外圍核心電路組成，DSP主要負(fù)責(zé)對(duì)檢測(cè)信號(hào)的采集和控制算法的實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)：輸入線(xiàn)電壓為380Vrms，額定輸出功率為10kW，輸出端額定電壓為400V，電流理想輸出范圍0～25A，開(kāi)關(guān)頻率為10kHz。充電模式下負(fù)載端用25W額定電阻代替。試驗(yàn)結(jié)果分別如圖13、圖14所示。

圖12 系統(tǒng)硬件框圖

在圖13和圖14中，a和a為網(wǎng)側(cè)A相相電壓和相電流，dc為輸出側(cè)直流電壓。從圖13、圖14可以看出，在線(xiàn)電壓380V輸入情況下，系統(tǒng)能夠在較寬的直流電壓范圍內(nèi)工作，并且可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)和良好的網(wǎng)側(cè)電流正弦度，證明了系統(tǒng)電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘目尚行院陀行浴?/p>

（a）直流側(cè)給定2A

（b）直流側(cè)給定5.5A

（c）直流側(cè)給定8A

（d）直流側(cè)給定10A

圖13 充電模式下網(wǎng)側(cè)電壓、電流與直流側(cè)電壓波形

（a）電流為1A

（b）電流為1A

圖14 放電模式下網(wǎng)側(cè)電壓、電流與直流側(cè)電壓波形

5 結(jié)論

本文針對(duì)電壓源型AC-DC儲(chǔ)能變流器低壓調(diào)節(jié)范圍小、電流紋波大的問(wèn)題，提出了一種新型的電流型儲(chǔ)能變流器結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在低壓范圍內(nèi)電壓輸出范圍寬，電流紋波小，具有電壓、電流均可調(diào)的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，具有很好的應(yīng)用前景。

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Design of Bidirectional Power Conversion System based on Current Source Converter

Han Han Li Ruihua Hu Bo Hu Hao

(Electrical Engineering of Tongji University, Shanghai201804)

In order to solve the voltage source AC-DC converter problem of small adjustment range and high current ripple, a novel AC-DC-DC isolated converter with bidirectional power flow capability is proposed. The proposed structure consists of a three-phase current source converter and a special DC-DC isolated converter. Then, we achieved digitalized control based on DSP TMS320F28335 and SVPWM control algorithm. The experimental results verify the feasibility and validity of the circuit topology and control strategy.

power conversion system；current source converter；SVPWM

韓涵（1992-），男，同濟(jì)大學(xué)在讀碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。