左兆文

摘要： 隨著電力儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展，對(duì)電池的充放電控制技術(shù)成為現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)。本文中針對(duì)兩重兩相雙向DC/DC拓?fù)溥M(jìn)行研究，首先分析了該電路的工作方式，在此基礎(chǔ)上利用狀態(tài)空間平均法建立起穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并引入小信號(hào)擾動(dòng)建立其暫態(tài)模型;其次根據(jù)其數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)出該控制器的雙向控制方法;最后利用Matlab搭建了充放電控制模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了雙向DC/DC電路數(shù)學(xué)模型和控制策略的正確性和有效性。

關(guān)鍵詞： 兩重兩相; 小信號(hào); 暫態(tài)模型; 雙向控制

目前，分布式電源的裝機(jī)容量正在逐漸提高，而國家電網(wǎng)要求20MW及以下的小容量分布式電源在10min內(nèi)向電網(wǎng)輸送的總功率不能多于其總?cè)萘?。為了不?duì)分布式能源造成浪費(fèi)且符合電網(wǎng)的約束條件，儲(chǔ)能裝置便映入了各大研究院所和企業(yè)的視野[1][2]。作為儲(chǔ)能裝置的核心，充放電控制器的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)。本文中，以兩重兩相雙向DC/DC電路的建模和控制策略為研究重點(diǎn)，該拓?fù)湓谖磥硪脖貙⒊蔀楣こ虘?yīng)用的熱點(diǎn)。

一、兩重兩相雙向DC/DC電路的工作模式

儲(chǔ)能單元和高壓側(cè)母線通過兩重兩相雙向DC/DC充放電控制器（Bi-Directional DC/DC Converter）相連，通過對(duì)電路的控制可以使電池工作在充電（Buck模式）或是放電（Boost模式）[3]-[5]。充放電控制器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其中L1、L2為儲(chǔ)能電感，S1、2、3、4為功率半導(dǎo)體管，C1、C2為高壓側(cè)電容和低壓側(cè)電容。由于Boost模式和Buck模式相似，故而本文僅以Boost模式為例分析該電路。

當(dāng)DC/DC電路工作于Boost模式時(shí)，半導(dǎo)體管S2和S4處于工作狀態(tài)，二者占空比D相同，相位相差180°;開關(guān)管S1和S3常斷，由二極管構(gòu)成單向通道。以D<0.5時(shí)為例，做詳細(xì)研究。

二、電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)模型建立

雙向DC/DC電路的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)模型的建立分別使用了狀態(tài)空間平均法和小信號(hào)擾動(dòng)法，由于Boost和Buck的建模方法相同，在此僅給出Boost的建模過程。

（一）基于狀態(tài)空間平均法的穩(wěn)態(tài)模型

在Boost模式下，以電感電流iL1（t）、iL2（t）和高壓側(cè)電壓udc（t）為狀態(tài)變量，以低壓側(cè)電壓uB（t）為輸入變量，輸出變量為電壓udc（t），并設(shè)半導(dǎo)體管S2占空比為D2、半導(dǎo)體管S4占空比為D4，則有x=[iL1（t）， iL2（t）， udc（t）]T，u=uB（t），y=udc（t），假定輸出側(cè)負(fù)載為R。

當(dāng)S2導(dǎo)通時(shí)，時(shí)間長度為D2×Ts;當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)，時(shí)間長度為D4×Ts;當(dāng)S2與S4都為關(guān)斷狀態(tài)時(shí)， Boost變換器依靠二極管續(xù)流，時(shí)間長度為（1-D2-D4）×Ts。

當(dāng)占空比小于50%時(shí)，上述公式給出了兩重兩相電路的工作狀態(tài)，引入狀態(tài)空間平均法對(duì)上述公式進(jìn)行平均化處理以解決變量的時(shí)變問題，由于穩(wěn)態(tài)時(shí)=0，則，，。

（二）基于小信號(hào)擾動(dòng)的暫態(tài)模型

在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)（X，Y，U）附近對(duì)x=[iL1（t）， iL2（t）， udc（t）]T，u=uB（t），y=udc（t），D2和D4引入小信號(hào)擾動(dòng)。其中（X，Y，U）代表穩(wěn)態(tài)時(shí)的平均值，帶有∧符號(hào)的代表加入的擾動(dòng)信號(hào)，則有（1），對(duì)其進(jìn)行線性化化簡，舍去高階項(xiàng)，且將穩(wěn)態(tài)直流分量和暫態(tài)分量分別提取出來。將暫態(tài)小信號(hào)分量提取出來，即是雙頂DC/DC電路在Boost模式下D<0.5時(shí)的小信號(hào)模型。

三、放電控制策略

四、仿真結(jié)果與分析

根據(jù)以上分析，在Matlab/Simulink中搭建了電池充放電的仿真模型。

五、結(jié)論

通過以上分析研究可得，兩重兩相雙向DC/DC電路具有多種工作模式，完全適配于電池的充放電過程。因此對(duì)于該拓?fù)涞难芯烤哂惺种匾目蒲幸饬x和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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