用于中压直流电网的储能变流器控制研究

朱笔能, 姚晓君, 朱述超

(1.苏州苏能集团有限公司,江苏 苏州 215004;2.南京理工大学,江苏 南京 210094)

0 引言

为应对传统化石能源的消耗而引起的全球气候变化和环境污染,实现能源结构转型,可再生的清洁能源在一次能源生产和消耗中的比重将逐步增大[1]。大量可再生能源发电并入中压直流电网[2]中,虽然具有清洁无污染、可再生、经济性好等优点,但不可忽视的是,其产生的电能具有波动性和间歇性的问题,大规模、可靠而稳定地向电网或负荷输送电能是一个难题。 将储能电池用于中压直流电网能很好地利用可再生能源,提高系统供电的稳定性[3]。 在直流电网中,直流母线和储能电池之间电能需要双向传输,因此,能够进行功率双向传输的储能变流器是关键设备[4]。

在中压直流电网中,储能变流器需要给电池可靠地充放电。 当可再生能源向直流母线发出的电能足够给负载供电时,储能变流器给储能电池进行充电,将多余的能量存储到电池中;当可再生能源发出的电能不足以使负载正常运行时,电池通过储能变流器向直流母线释放能量。 在众多双向DC-DC 变流器拓扑中,双向有源H 桥变换器(Dual Active Bridge,DAB)具有电气隔离、高功率密度、功率双向流动等优点。双向有源H 桥(DAB)最早在20 世纪80 年代末被提出[5],在控制策略和效率优化方面受到了广泛的关注[6-9],已经发展成固态变压器[10]、储能[11-12]等变换器的拓扑结构。

文献[6-9]为了减小DAB 回流功率、电流应力和实现软开关,提升DAB 整体运行效率,各自提出了不同的移相控制策略并对如何提高效率进行了分析,然而并没有将DAB 用于实现直流母线和储能电池之间电能的双向传输和提出相应的控制方法。 文献[11-12]将DAB 用于给储能电池充放电,但是其设计的单组DAB 电压等级较低且传输的功率不大,无法适用于中压直流电网与大容量储能电池之间大功率地传输电能。 文献[13]研究了用于直流电网中储能系统的DAB 运行效率的计算方法。

本文针对中压直流配电网设计了储能变流器及控制方法,用以实现储能电池的充电和放电功能。 针对现有研究设计的储能变流器功率容量小且电压等级低的问题,通过对DAB 的理论和控制方法研究,最终将两组DAB 输入端串联、输出端并联组合使用以增大设备的传输功率和电压等级。 在此基础上,设计了电池充放电时的控制方法,同时为了减小电池充放电时的电流纹波,采用功率开关管驱动脉冲交错移相控制的方法。 通过对DAB 的控制实现恒流—恒压充电和恒流放电,仿真验证控制方法的可行性。

1 储能变流器的控制原理

本文所提的储能变流器采用模块化设计,功率模块输入串联、输出并联能够很好地满足传输功率和器件耐压的要求,单组功率模块采用DAB 拓扑结构,如图1 所示,模块1 和模块2 输入侧串联之后接入中压直流母线,输出端并联接储能电池组,用以实现中压直流母线和储能电池之间功率的双向流动。

图1 用于中压直流电网的储能变流器

图 1 中的DAB 由原边H 桥和滤波电容Cin、副边H 桥和滤波电容Cout以及连接它们的高频隔离变压器组成,隔离变压器折算到输入侧的等效漏感为Llk,隔离变压器的变比为n。Uin为一次侧的直流输入电压,Uout为二次侧的直流输出电压,S1～S8为DAB 变流器的功率开关管。

DAB 控制策略中广泛使用的是单移相控制(Single Phase Shift,SPS),单移相控制下的各功率开关管驱动信号、原边H 桥和副边H 桥桥臂中点的电压upri和usec和漏感电流iL波形如图2 所示,Ths为半个开关周期。单移相原理为通过控制桥臂开关管的通断,形成高频电压方波upri和usec,控制这两个电压方波产生一定的相位差,由隔离变压器的漏感传输能量,定义两个方波之间的相位差与π的比值为移相比D。

图2 单移相控制原理

单移相控制策略中只有upri和usec之间的移相比D这一个变量,根据图2 中的波形可算得DAB 传输功率大小

由式(1)可知,电路参数和输入输出电压确定的情况下,可以通过控制移相比D的大小来控制传输功率的方向和大小。 当0＜D＜1 时,中压直流母线向电池传输功率,即充电模式。 当-1＜D＜0,电池向中压直流母线传输功率,即放电模式。

2 储能变流器充放电控制策略

电池充电方法可以分为恒定电流充电和恒定电压充电,本文选择先进行恒流充电,随着充电过程的推进,电池的电压不断升高,电压升高到一定数值之后切换为恒压充电。 恒压充电过程中,电池储存的能量逐渐饱和,电池充电电流会逐渐下降,下降到一定值后停止充电。 当电池向直流母线释放能量时,由于直流母线电压基本恒定,因此,采用恒流放电,即保持电池输出电流为恒定值。

在恒流充电阶段,需要控制变流器输出的电流恒定,由式(1)可知,在输入侧直流母线电压确定的情况下,通过控制移相比D来控制传输功率大小进而使得充电电流恒定,因此,恒流充电控制采用单个电流闭环控制即可实现。 然而DAB 主电路各元件参数在实际应用中无法做到完全一致,会导致两组DAB 传输的功率不均衡,因此,需要额外的均压均流控制。假设两个模块没有传输功率损耗,Ui1、Ui2和Ii1、Ii2分别为两组DAB 的输入电压和输入电流,Uo1、Uo2和Io1、Io2分别为两组DAB 的输出电压和输出电流,根据功率关系可得

由于输入串联输出并联的结构,则有

因此,控制输入侧电压均衡即可实现DAB 传输功率均衡,在单个电流闭环的基础上加入两个输入侧均压环路控制,即当两组DAB 输入侧电压不平衡时均压环对移相比起修正作用。 恒流充电控制如图3所示,Iref为充电电流给定值,Io为采样得到的变流器总输出电流,即电池的充电电流,是单组DAB 输入电压的参考值,且总是为中压直流母线电压的一半,Ui1和Ui2分别为两组DAB 的采样得到的输入电压,D1和D2分别为两组DAB 的移相比。

图3 恒流充电控制

在储能电池的恒压充电阶段,需保持电池的端电压恒定,给定充电电压为Uref,通过电压闭环来控制充电电压为给定值Uref。 随着充电过程的继续,充电电流逐渐减小,与恒流充电同理也需要加入均压环控制输入侧电压均衡,恒压充电控制如图4 所示,Ubat为采样得到的电池端电压。

图4 恒压充电控制

当储能电池需要向中压直流母线释放电能时采用恒流放电,即只改变了储能变流器输出电流的流向,因此,通过电流闭环使得电池放电电流为给定值,同时加入输入侧均压控制环路,控制方法与恒流充电同理。

由于储能电池内部电阻极小,储能变流器在给电池充放电时相当于两个电压源在相互传输能量,因此,DAB 的输出电流纹波较大。 输入串联、输出并联的储能变流器具备DAB 的本质特性和优点,储能变流器采用了模块化设计,可以利用功率开关管驱动脉动交错移相控制方式减小充放电时的电流纹波,使得储能变流器能够更加平稳地给电池进行充电和放电。两组DAB 功率开关管驱动脉冲信号与其各输出电流波形io1、io2如图5 所示,tJ为模块2 原边H 桥驱动脉冲信号滞后模块1 原边H 桥驱动脉冲信号的时间,本文取tJ=Ths/4,D1和D2为上文所述控制方法得到的两组DAB 的移相比,两组DAB 输出电流交错叠加从而减少总的输出电流纹波。

图5 驱动脉冲和输出电流时序

图6 充电电流为74 A 时的对比

3 仿真结果与分析

本文储能电池采用的是额定电压为320 V、额定容量为148 Ah 的磷酸铁锂电池组,设计单组DAB 额定功率为25 kW,单组DAB 主电路参数如表1 所示。

表1 仿真主电路参数

在MATLAB/Simulink 平台搭建了基于上述控制方法和主电路参数的仿真模型,分别对恒流充电、恒压充电、恒流放电的工作模式进行仿真,验证控制的可行性。

首先,验证本文所提驱动脉冲交错移相能够减小电池充放电电流纹波的有效性,根据电池数据手册,常规充电电流最大为74 A,在指定充电电流皆为74 A 时做仿真对比,图 6(a)为驱动脉冲不做交错移相控制的稳态充电电流,图 6(b)为驱动脉冲做交错移相控制的稳态充电电流,仿真结果表明,两组DAB驱动脉冲做交错移相对比脉冲不做交错移相时的充电电流纹波可以减小到一半以上。

其次,为验证本文所提储能变流器充放电控制方法的有效性,本文采用的磷酸铁锂电池的最大充电和最大放电电流皆为148 A,设置电池的初始荷电状态为80%。 仿真开始时为恒流充电模式,指定充电电流为60 A。t=1 s 后切换到恒流放电模式,指定放电电流为60 A。 电池端电压和充电电流的仿真结果如图7 所示,仿真结果表明,充/放电电流可以达到给定值,即可以进行恒流充电和恒流放电。

图7 恒流充电仿真

在恒压充电模式时设置充电电压为349.5 V,即在恒流充电阶段当电池端电压上升接近至349.5 V时切换为恒压充电。 恒压充电模式下稳态时仿真运行结果如图8 所示,结果表明,输出并联的DAB 使得充电电压保持恒定,同时电池的充电电流在不断地下降。

4 结语

针对中压直流电网中储能电池的充放电需求,本文设计了一种储变流器及其控制方法。 首先,储能变流器采用功率模块化设计,提高了电压等级和传输功率;功率模块采用DAB 拓扑结构,加入输入侧均压控制环路使两组DAB 功率均衡,进而又分别针对电池的充电和放电提出了各自的控制方法,即在充电模式时,采用恒流充电与恒压充电相结合的控制方法,在放电模式时,采用恒流放电的控制方法。 其次,在电池充放电时,由于其内阻小,电流纹波较大,通过两个功率模块间的驱动脉冲做交错移相的方法来减小充放电时的电流纹波。 最后,通过仿真充分验证了储能变流器和控制策略可行性和有效性。