双向DC/DC变换器在直流微网中的应用

刘 晓，刘立群，吴祥辉，赵晓博

（太原科技大学电子信息工程学院，太原　030024）

双向DC/DC变换器在直流微网中的应用

刘 晓，刘立群，吴祥辉，赵晓博

（太原科技大学电子信息工程学院，太原030024）

为了降低直流微网母线电压的波动，提出基于双向DC/DC变换器的储能控制策略。运用直流母线电压外环，双向DC/DC变换器电感电流内环的控制方法实现直流微网与储能系统之间能量的双向流动。在系统电压产生波动时能够恢复到正常工作电压状态。通过仿真验证所提控制策略的正确性。仿真表明储能系统通过控制策略可以实现能量的双向传递。并且当电压突变时，储能系统可以使直流母线电压稳定，提高了系统可靠性。

直流微网；储能系统；稳定电压

微电网是独立可控的供电系统。主要组成包括微电源、储能系统、能量转换装置和负载等。微电网可以独立运行，也可以接入大电网运行。微电源的波动性，负载切换都会使微电网的电压不稳定。储能系统在微电网中可以优化微电源运行。双向DC/ DC变换器是控制储能系统的核心部分。通过控制储能系统使微网整体电压稳定，满足微电网的运行条件。当前在双向DC/DC变换器的研究中，根据是否含有变压器分为隔离型和非隔离型。非隔离型变换器拓扑结构简单，控制方便，本文选择非隔离型变换器为研究对象。对于该变换器的控制一般采用电压型控制方法，但该方法不能控制变换器的输出电流。

直流微网中电压是反映系统稳定性的重要指标。直流微网中母线电压的稳定直接反映了微网运行的可靠性。现有维持母线电压的方法存在一些缺陷，如在母线电压输出侧添加电压平衡器或者并接一个大的输出电容，虽然可以改善母线电压的质量，但并不能灵活的控制能量的流动，从而使母线电压达到稳定。本文对非隔离型双向DC/DC变换器的工作原理进行了介绍，同时完成了元器件参数的设计。运用仿真验证了参数设计的正确性。搭建了基于双向DC/DC电路的储能系统模型。运用了外环电压，内环电流的控制方式，灵活的完成储能系统和直流母线之间的能量双向流动，并稳定了母线电压的稳定。

1　变换器的拓扑结构及工作原理

变换器功能简图如图1所示。I1和I2分别为V1侧和V2侧的输入电流。通过合理控制开关管，可以实现能量的双向流动。对于储能系统而言，既能实现充电，也可以实现放电，这样就能提高能量的利用率，不会造成能量的浪费。

图1　功能简图Fig.1 The simplified diagram

根据变换器的拓扑结构如图2所示，可以对其工作原理进行说明。对于双向DC/DC，其工作模式有两种：一种是Buck工作模式；另一种是Boost工作模式。

图2　拓扑结构图Fig.2 The topological structure

Buck工作模式，电感电流由左向右流动，能量从V1至V2流动。电压V2=V1*D1，D1为开关管T1的占空比，所以电压可以通过控制D1得到改变。Boost工作模式，电感电流方向由右向左，能量从V2流至V1流动。电压V1=V2/1-D2，D2为开关管T2的占空比且D2=1-D1.

2　双向DC/DC变换器的数学模型

根据图2所示，选择电感电流iL（t）和电容C的电压Vc（t）作为状态变量。Vdc（t）作为输入变量，idc（t）和Vc（t）作为输出变量。工作在Buck模式且电感电流连续。在一个开关周期内可以得到状态方程与输出方程为：

按照上述分析方法，同理可以在Boost模式下建立数学模型。通过计算和分析可以得到直流母线侧Vdc对D的传递函数为：

3　变换器的参数设计及验证

3.1参数设计

正确的设计变换器的参数，需要同时满足两种不同模式的要求。

（1）电感L的设计［8］

电感既实现储能的作用，又实现滤波的作用。它在系统中起着关键的作用。

式（15）中U为输入侧直流电压；fs为开关频率；IL为电感电流；D为变换器的占空比。

（2）输入电容C1，输出电容C2的设计［8］

C1应用在Buck工作状态，目的是减小电流的纹波。

式（16）中V为低压侧电压；△U为电容电压脉动量。

C2应用于Boost工作状态，是为了储能并减小电压纹波。

3.2主要参数的仿真验证

运用MATLAB建立变换器模型。对其不同工作模式进行仿真分析。通过仿真结果来验证设计的元器件参数是否正确。仿真模型如图3所示。设计输入电压220 V，输出电压110 V，负载R为20 Ω，开关频率fs为25 kHz，占空比D为0.5，△U取1%.根据式（7）～式（9）可以计算得到电感约为4 mH，滤波电容C1约为150 uF，C2约为600 uF.

在Buck工作模式下，输入端电压为220 V，T1的占空比设置为0.5.仿真得到输出的电压波形如图4所示。通过图形可以看出输出的电压稳定在110 V，在达到降压的效果的同时，输出的纹波电压也很小。纹波系数约为0.1%.

在Boost升压模式下，交换负载和电源的位置，输入电压为110 V，其余的参数不变，仿真输出波形如图5所示。通过图形可以看出输出的电压基本稳定在220 V，达到了升压的效果，同时输出电压稳定，纹波电压也很小。纹波系数约为0.1%.

图3　双向DC/DC仿真模型Fig.3 Bi-directional DC/DC simulation model

图4　（a） Buck模式下输出电压图Fig.4（a）Output voltage under Buck mode

图5　（a） Boost模式下输出电压图Fig.5（a）Output voltage under Boost mode

经过对matlb图形的分析，可以得出主电路的参数能够达到双向升降压的目的，可以保证输出电压的稳定性，满足设计要求，参数设计合理。

4　蓄电池储能系统

4.1储能系统的结构

直流微网发电系统的结构如图6所示。主要包括微电源，蓄电池储能系统，负载和逆变电路。在该结构中，储能系统主要作用是通过将多余能量进行储存，同时补充不足的能量使直流微网母线端电压稳定，满足负载需求。当负载的需求能够由系统满足时，多余的能量由储能系统储存；当负载需求的能量不能由系统完全提供时，储能系统通过释放能量，使负载正常运行。这样就需要储能系统既能充电，又能进行放电。即能够实现能量的双向传递。储能系统在这里发挥关键作用。本文主要研究方框中的储能系统。充放电主电路选用双向DC/DC变换器。该变换器可以完成功率的双向传递，达到系统的工作性能。

图4　（b） 局部放大图形Fig.4（b）Local amplification

图5　（b） 局部放大图形Fig.5（b）Local amplification

图6　系统结构图Fig.6 System structure

4.2 控制策略

对于双向DC/DC，在系统工作时要求通过控制变换器完成蓄电池充电和放电。不同工作模式的实现是通过控制电感电流来完成。所以选用直流母线电压外环，电流内环的双闭环控制。在Buck模式下，蓄电池充电；Boost模式下，蓄电池放电。

图7　双向DC/DC电路的控制框图Fig.7 The control diagram of the bi-dictionary DC/DC converter

双向DC/DC的控制框图如图7所示。图中直流母线电压为给定值，与测得的实际值就行比较，形成电压外环。电流给定值由电压比较后得到的差分信号再通过PI调节器得到。将电流的给定值与实际电流再进行比较，形成电流内环。所得差分信号经过PI调节器生成输出信号。通过PWM脉宽调制产生双向DC/DC两个功率开关管的触发信号。

4.3储能系统的仿真分析

在Matlab/Simulink中搭建蓄电池储能系统。蓄电池选取通用等效仿真模块；双向DC/DC作为充放电控制器。主电路如图8所示。控制电路由PWM模块产生，直流侧由可控直流电源和电阻为10 Ω的电阻串联组成。仿真参数的设置：蓄电池容量为100 Ah；初始荷电状态50%；额定电压200 V，内电阻0.04 Ω.双向DC/DC电路参数：电感0.02 mH，直流电容3 uF.

直流可控电压源初始值为190 V，2 s过后改变电压大小，使其突然降低到170 V.观察直流母线电压及电池状态。

图8　储能系统仿真模型Fig.8 The simulation model of energy storage system

图9　仿真波形Fig.9 Simulation waveform

由仿真图9分析可得：图（a）在0-2 s，直流电压源为190 V，2 s后电压突然降为170 V.如图（b）所示经过合理的控制调整，直流母线电压稳定到190 V.图（c）反映了蓄电池容量的变化。由于电压突然降低，需要蓄电池进行放电，因此容量减少。以放电电流为正方向，图（d）电感电流在0-2 s几乎不变，2 s时由于电压突然降低，需要储能系统放电。所以2 s后电感电流为正，电池放电。稳定了直流母线电压，同时蓄电池工作状态合理，满足了设计要求。

直流可控电压源初始值为190 V，2 s过后改变电压大小，使其突然升高到210 V.观察直流母线电线及电池状态。

图10　仿真波形Fig.10 Simulation waveform

由仿真图10分析可得：图（a）在0-2 s，直流电压源为190 V，2 s后电压突然升高为210 V.如图（b）所示经过合理的控制调整，直流母线电压稳定到190 V.图（c）反映了蓄电池容量的变化。由于电压突然升高，需要将多余的能量传递给蓄电池，因此对蓄电池充电，容量增加。图（d）电感电流在0-2 s几乎不变，2 s后由于电压突然升高，电感电流为负，实现了对电池充电。最终稳定了直流母线电压，蓄电池的工作状态及电感电流的方向都满足设计的要求。

通过仿真分析可得，对于直流微网中母线电压的不同变化，蓄电池可以通过合理的充放电使其电压最终稳定，实现了控制的可行性。

5　结束语

本文根据双向DC/DC变换器的拓扑结构，对其工作原理进行了分析。建立了数学模型。并给出了变换器中元器件参数的计算方法。通过上述工作，深入分析了该变换器在储能系统中的应用，完成了能量的双向传递，并且稳定了直流母线电压。利用matlab软件，通过双闭环控制策略，实现了系统的控制要求。提高系统的运行性能。

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The Application of Bi-directional DC/DC Converter in Micro DC-Grid

LIU Xiao，LIU Li-qun，WU Xiang-hui，ZHAO Xiao-bo
（School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science&Technology，Taiyuan 030024，China）

In order to reduce the micro bus voltage fluctuation，a kind of control strategy on energy storage is put forward based on the bi-directional DC/DC converter.By using the DC bus voltage outer loop and bi-directional DC/DC converter，the control method of inductance current inner loop was used to realize two-way flow of energy between micro DC-Gird and energy storage systems When the system voltage fluctuations，it can restore a stable state.The simulation verifies the correctness of the proposed control strategy.Simulation results show that energy storage system through the control strategy can realize two-way transfer of energy.When the voltage mutates，energy storage system can realize the DC bus voltage stability and improve the system reliability.

micro DC-Gird，storage system，voltage stability

TM46

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2016.02.006

1673-2057（2016）02-0108-06

2015-04-10

中国博士后基金第7批特别资助（2014T70234）；中国博士后基金第53批（2013M530895）

刘晓（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向为现代电力电子与新能源发电技术。