基于变环宽控制的三相双向DC/DC变换器研究

宋 丽，赵兴勇

(山西大学 工程学院 电力工程系，山西 太原 0 30013)

基于变环宽控制的三相双向DC/DC变换器研究

宋 丽，赵兴勇

(山西大学 工程学院 电力工程系，山西 太原 0 30013)

为了实现储能变流器控制精度高、响应速度快的要求，将模拟电路作为主控制系统硬件电路。控制方式选用了跟踪速度快、易实现的滞环控制，并且针对传统滞环控制存在开关频率不稳定的缺点，采用了变环宽控制的方式。此外主电路采用了三相双向DC/DC变换器结构，提高了整个系统的开关频率，减小了总输出电流的脉动幅值。

变流器;双向DC/DC变换;变环宽控制;开关频率

0 引言

由于在电池储能系统中，储能变流器不仅需要将电网侧的交流电进行AC/DC转换，还需要高性能的双向DC/DC变换器对电池侧的直流电进行变换，使得能量可以双向流动，从而达到一定的节能效果［1～4］。本文主要就是针对双向DC/DC变换器的设计。

本设计中DC/DC变换器的主要控制部分由模拟系统实现，采用经典的PI控制与滞环控制相结合。滞环控制是一种简单有效的跟踪控制方式，它具有实时控制、电流响应快、对负载的适应能力强、有内在的限流能力等明显优势，但也存在输出电压中不含特定频率的谐波分量、电流脉动大等缺点。此外，滞环控制的环宽对控制的性能有较大的影响。环宽过宽时，开关动作频率低，但跟踪误差增大;环宽过窄时，跟踪误差减小，但是开关频率过高，甚至会超过开关器件允许频率范围，开关损耗随之增大［5，6］。因此，本文采用了可变环宽控制的方式。

1 三相双向DC/DC变换器介绍

DC/DC变换器的拓扑结构有很多种，通过对比分析，考虑实现能量的双向流动，且系统综合效率较高的因素，本文采用非隔离式的双向半桥电路拓扑［7～9］，此外设计中还考虑使用了多重化技术，将移相为120°的3个模块并联，即三相升/降压结构，达到减小电流波动的目的。如图1所示，本设计中的变换器电力电子接口采用的是先进的混合集成功率器件IPM模块，模块内部集成了6个IGBT及相应的短路和驱动电压欠压保护电路。当系统电路工作在降压状态时，S1，S3，S5依次导通;当电路工作在升压状态时，S2，S4，S6依次导通。

图1 DC/DC电路拓扑

2 基于变环宽控制的双向DC/DC控制原理

目前锂电池最常用的充电方法:首先以恒定电流充电，当电压达到预定值时，进行恒压充电，这时电流会逐渐减小;当充电电流下降到零时，电池完全充满。放电时采用恒压放电的方式。这也就要求DC/DC变换器能够对电池进行恒流恒压充放电，所以需要控制的是电池侧的电流与电压， 其基本控制方式如图2所示。

图2 DC/DC控制框图

这是一个闭环控制系统，可以进行电压模式与电流模式控制［10］，两种模式的切换通过框图中的模拟开关来实现。对于电压模式，控制采用电压电流双环，电压环作为控制外环，电流环作为控制内环。电池侧电压值与给定电压值的误差进入PI调节器后，输出的结果作为电流内环的给定值，再与采样电流值进行滞环比较，输出PWM波，控制开关器件的导通，最终实现恒压的目的。对于电流模式，由一个电流控制环实现，此时模拟开关的使能端选通电流给定输出端，通过电池侧电感电流采样值与电流给定值进行滞环比较，对各开关器件进行控制，将实际电流跟踪给定值，实现恒流的目的。图3为滞环控制的基本原理图。

图3 滞环控制基本原理图

电压电流的给定值都由上位机控制，可以通过改变给定值的正负来改变能量的流动方向。若规定电池在充电时，电压给定值为正值，电流的方向为正方向，则电池放电时，电压给定值变为负值，此时电流的方向为负方向。

由于本次设计采用的是变环宽的控制方法［11］，下面将对环宽值的计算进行推导。如图1所示，Vdc是直流母线侧电压，Vbat是直流电池侧电压，iL是电感电流。H表示滞环宽度。下面公式的推导可参看图3。

此时电流变化率ΔiL=2H/t1代入上式则有2HL/t1=Vdc－Vbat

由公式 (4)可知，由于母线电压Vdc与滤波电感L是固定的，Vbat是变化的，所以当采取固定环宽H时，开关频率fs是随着电池电压Vbat变化的。如果环宽H可以动态调整，就可以实现开关频率fs保持不变。为此，可对公式 (4)进行变换，得

公式 (5)即为可变滞环宽度的计算公式，只需实时采样输出电压Vbat的值，通过模拟电路运算，实时调整滞环宽度H即可实现开关频率的稳定。

3 变环宽的电路设计

前面已经提到本次设计的硬件电路是采用模拟电路实现的，所以设计好滞环部分的计算电路显得尤为重要，图4所示的是变环宽控制电路的框图。根据滞环控制的原理可知，滞环的上下限是由基准值加减滞环宽度得到的，其中基准值是由前面的PI调节器的输出结果经过限幅稳压电路得到，设计电路如图5所示;而可变的滞环宽度是由电池侧的反馈电压值与+5 V的电压经过乘法运算后得到，设计电路如图6所示;基准值与环宽值通过加法、减法电路计算得出最终的滞环上下限，设计电路如图7所示。将电池侧电感电流的采样值与滞环上下限值相比就会得到相应的高低电平信号，从而驱动IGBT的导通。

图4 变环宽控制电路框图

图5 基准值产生电路

4 实验结果

为了验证定环宽与变环宽的控制效果，对两种控制进行了降压模式下的实验对比。取直流母线侧的电压为600 V，低压侧依次从100 V取至500 V。

图6 变环宽值计算电路

图7 滞环上下限计算电路

为方便对比，取一个实验标准值，即当DC/DC变换电路从600 V降至300 V时，变环宽值为H=0.078 V，定环宽控制也取环宽值为H=0.078 V，此时两种控制频率一致为20 kHz。在不同的实验电压下，将记录的实验结果列表如表1所示。

表1 定环宽与变环宽控制对比

由实验结果可看出，变环宽控制在不同实验电压下，能够较好地保持开关频率的稳定，而定环宽控制频率变化比较大，显然变环宽控制更具优势。图8中显示了定环宽控制在不同电压下的频率变化。

图8 定环宽控制在不同电压下开关频率

由于三相结构双向DC/DC变换器主电路由3个半桥单元电路并联而成，3个单管交替工作，在不增加单管开关频率的前提下，总输出电流为3个单元电路输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。而3个单元电流的脉动幅值互相抵消，使总的输出电流脉动幅值变得很小。图9所示的是三相结构的电路中，降压状态下的开关管驱动波形，以及输出电流波形。

为了考验本次设计的变换器在一些突变情况下的稳定性能，还进行了动态响应实验，图10是在降压状态下，母线侧电压Udc发生变化时，电池测的电流Ibat的变化情况，可以看出电流变化的响应时间是在3 ms左右，速度较快。

图9 三相结构的电路三个管子依次导通的PWM波及总电流波形

图10 动态响应实验

5 结论

通过实验验证，本设计采用变环宽控制的三相双向DC/DC变换器具有良好的控制效果，可以在不同的电压下较好地保持开关频率的稳定，且动态响应速度较快。同时这种三相结构的DC/DC变换器主电路，提高了整个系统的开关频率，减小了总的输出电流脉动幅值。

［1］孔令怡，廖丽莹，张海武，等．电池储能系统在电力系统中的应用 ［J］．电气开关，2008，46(5):61-64．

［2］谢志佳．电池储能变流器调制方法综述 ［J］．变频器世界，2013，(4):49-54．

［3］王培波，张建成．超级电容器储能系统并网控制研究［J］．电力科学与工程，2009，25(6):1-4．

［4］张加胜，李浩光．基于滞环控制的电压型变流器开关频率分析 ［J］．电力系统及其自动化学报，2008，20(2):57-59．

［5］毛惠丰，陈增禄，杨旭，等．单相电压型逆变器新颖滞环电流跟踪控制 ［J］．电力电子技术，2011，45(10):15-17．

［6］闫晓金，潘艳，宁武，等．超级电容-蓄电池复合电源结构选型与设计 ［J］．电力电子技术，2010，44(5):75-77．

［7］金一丁，宋强，陈晋辉，等．大容量电池储能电网接入系统 ［J］．中国电力，2010，43(2):16-20．

［8］许海平．大功率双向DC/DC变换器拓扑结构及其分析理论研究 ［D］．北京:中国科学院电工研究所，2008．

［9］陈学清，林裕雄，黄俊来．双向DC－DC变换器的应用及电路拓扑概述 ［J］．大众科技，2008，10(110):48-50．

［10］张立伟，俞斌．应用于电动汽车动力系统的大功率双向DC/DC变换器 ［J］．电力电子，2006，(4):49-53．

［11］ Poulsen S，Andersen M A．Hysteresis controller with constant switching frequency ［J］．Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2005，51(2):688-693．

［12］洪峰，严仰光．一种变环宽准恒频电流滞环控制方法［J］．电工技术学报，2009，24(1):115-119．

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。

宋丽 (1982-)，女，助教，研究方向为储能变流器，E-mail:songli0212@163．com。