一种三相交错并联双向DC/DC变换器的研究

赵德骥，冯玉龙，庄 伟

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.中国船舶重工集团公司第711研究所，上海 201108)

一种三相交错并联双向DC/DC变换器的研究

赵德骥1，冯玉龙2，庄 伟2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.中国船舶重工集团公司第711研究所，上海 201108)

双向DC/DC变换器是电力储能系统的重要组成部分，针对传统单相双向DC/DC变换器储能电感过大，变换器功率较低的缺点，文中提出了一种三相交错并联双向DC/DC变换器的拓扑结构。在此基础上分析了其工作原理及控制策略，并进行了仿真验证。仿真结果表明，三相交错并联双向DC/DC变换器应用于电力储能系统能获得较好的电压、电流波形，有效降低电感电流，提升系统的功率等级，为电网及储能系统的安全稳定运行提供了保障。

双向DC/DC变换器；三相交错；储能系统

双向直流(DC/DC)变换器是能够根据实际需求，在维持直流变换器两端电压极性不变的条件下调节能量双向流动的设备。其在功能上类似于两个单向直流变换器，是一种特殊的“一机两用”设备[1-2]。双向直流变换器在需要能量双向流通的场合可以减少系统的重量、体积以及成本，能量传输便于控制，成为目前电力电子研究领域的热点,在UPS电源、分布式发电、航空航天、直流电机驱动系统、新能源应用等场合得到广泛应用，具有重要的研究价值和广阔的应用前景[3-4]。

目前多数的双向DC/DC变换器使用单相电路结构，这种结构需要的储能电感体积和重量过大，导致变换器安装不方便，而且当电路功率较大时，开关管的电流应力也很大，这在一定程度上降低了系统的可靠性。本文将三相交错并联技术运用于储能系统双向直流变换器中，以减小各相电路电感电流，降低电流纹波系数，降低开关器件的电流应力，提高变换器的功率等级[5-7]。所采用的控制策略能够有效控制储能装置的充电、放电，满足系统需求。

1 三相交错并联双向DC/DC变换器

1.1 拓扑结构

图1为三相交错并联双向DC/DC变换器的拓扑结构。主功率电路由6个IGBT(S1～S6)和6个二极管(D1～D6)组成。C1为直流母线侧电容；L1～L3为储能电感；Udc为直流母线端电压；Ubat为蓄电池端电压。

图1 三相交错并联DC/DC变换器

1.2 工作原理

双向DC/DC变换器负责控制蓄电池组和直流母线之间的能量传递，主要有两种工作模式，即控制蓄电池组放电的Boost模式以及控制蓄电池组充电的Buck模式，从而达到能量双向流动的目的[8]。

(1)Boost模式。当双向DC/DC变换器工作于Boost模式时，能量由蓄电池组流向直流母线端，以维持直流母线的电压稳定。此时电路中下面3个开关管S4、S5、S6交替导通。开关管S4、S5、S6的占空比分别为d4、d5、d6，且0.5

模态1[t0～t3]：如图2a所示，Boost模式下第一相Boost电路工作，t0时刻，S4导通，电感L1充电，电感电流il1增大；t3时刻，S4关断，电路通过D1续流，电感电流iL1减小；

图2 Boost模式下各模态的等效电路

模态2[t1～t4]：如图2(b)所示，Boost模式下第二相Boost电路工作，t1时刻，S5导通，电感L2充电，电感电流iL2增大；t4时刻，S5关断，电路通过D2续流，电感电流iL2减小；

模态3[t2～t6]：如图2(c)所示，Boost模式下第三相Boost电路工作，t2时刻，S6导通，电感L3充电，电感电流iL3增大；t6时刻，S6关断，电路通过D3续流，电感电流iL3减小。

图3 Boost模式下电路的主要波形

由以上3种工作模态得到一个开关周期T内电路在Boost模式下的主要波形，如图3所示。电流I0为双向DC/DC变换器在Boost模式下的输出电流，由3路电感电流经电容C1滤波后叠加得到。

(2)Buck模式。当双向DC/DC变换器工作于Buck模式时，能量由直流母线侧流向蓄电池组，对蓄电池组进行充电。此时电路中上面3个开关管S1、S2、S3交替导通。开关管S1、S2、S3的占空比分别为d1、d2、d3,且0

模态1[t0～t2]：如图4(a)所示，第一相电路工作。to时刻，S4导通，电感L1充电，电感电流iL1增大；t1时刻，S4关断，电路通过D1续流，电感电流iL1减小；

由表1可知，大坝上游坝坡在各种运行工况下稳定性较差，均小于规范允许值；特别是在工况5，上游坝坡安全系数仅有0.98。说明上游坝坡存在失稳可能，而下游坝坡稳定性较好，因此需重点加固上游坝坡。

模态2[t2～t4]：如图4(b)所示，第二相电路工作，t2时刻，S5导通，电感L2充电，电感电流iL2增大；t3时刻，S5关断，电路通过D2续流，电感电流iL2减小。

模态3[t4～t6]：如图4(c)所示，第三相电路工作，t4时刻，S6导通，电感L3充电，电感电流iL3增大；t5时刻，S6关断，电路通过D3续流，电感电流iL3减小。

图4 Buck模式下各模态的等效电路

由以上3种工作模态，得到一个开关周期T内电路在Buck模式下的主要波形，如图5所示。图中电流I0为双向DC/DC变换器Buck模式下的输出电流，由3个电感电流iL1、iL2和iL3叠加后得到。

图5 Buck模式下电路的主要波形

2 电感电容的计算选择

2.1 储能电感的选择

双向DC/DC变换器中电感是一个重要的器件，主要负责双向DC/DC变换器的能量传递。本系统采用电流连续工作模式，电感参数的设计主要考虑电流的纹波系数。

计算电感的大小值，首先应确定流经电感的电流纹波ΔiL的值。从电感线圈的体积、重量、响应等方面考虑，ΔiL取输出电流的10%～30%较为合适[9]。在本系统中，为了更好的限制输出电流中的纹波含量，取ΔiL为输出电流的10%。

综上，可求得电感的大小

(1)

式中，Udc为高压侧直流母线电压；Ubat为低压侧蓄电池组电压；D为Buck模式下的占空比；ΔiL为电感的电流纹波；f为开关管的开关频率[10-11]。

2.2 直流母线电容的选择

直流母线侧电容在系统中的作用主要是抑制直流母线电压波动。在选择电容时，既要考虑直流母线电压对额定电压的跟踪性能，不能将电容容量选的过大，也要考虑直流母线电压的抗干扰性，不能将电容容量选的太小。

按照Boost电路设计输出电容，输出电压波动量等于开关管导通期间电容向负载放电引起的电压变化量。它应满足

(2)

式中，Udc为直流母线电压；ΔUdc为直流母线电容C1的纹波电压；f为开关管频率；p为直流母线瞬时加载功率；D为Boost模式下的占空比[12]。

再考虑瞬时加入负载造成的母线电压降落来设计电容容量。以瞬时加载造成的母线电压降落为母线额定电压的20%计算，加载瞬间，电感电流不能突变，很大一部分功率由电容提供[13]。

根据能量守恒，可得

(3)

式中，U1和U2表示初始电压和最低电压；P表示输出功率；t表示电感电流达到稳定状态的时间；K为t时刻内电容提供能量所占总输出能量比例，选取0.3，根据式(2)和式(3)即可求得电容容量大小。

3 控制策略

为确保系统正常高效工作，控制电路的设计至关重要。三相交错并联DC/DC变换器控制电路主要满足以下要求：(1)各相电路运行时必须均流，以提高系统运行的可靠性；(2)控制策略能有效控制能量的双向流动，实现Boost模式与Buck模式的切换；(3)合理设计控制环节结构以及参数，以提高系统的稳定性并且获得较好的动态响应特性[14]。

图6为变换器的控制框图。变换器输出电压信号和电感电流信号经采样后作为反馈信号，与给定参考信号比较，经PI控制器和限幅处理，与经移相处理的三角载波比较后产生PWM驱动信号，送至驱动模块，驱动开关管的通断。两种工作模式均采用双环控制方式，以电感电流作为内环，输出电压作为电压外环的反馈。Boost模式以直流母线电压作为外环，Buck模式以蓄电池组电压作为外环[15-16]。

图6 双向DC/DC变换器控制框图

4 仿真验证

为验证三相交错并联双向DC/DC变换器的优越性，搭建了Simulink模型进行仿真。Udc=1 000 V；电感L1=L2=L3=8 mH；C1=2 200 mF；开关频率f=8 kHz；蓄电池组额定电压为360 V。

图7为变换器工作于各电路的主要仿真波形。U0为输出电压，iL为电感电流。

图7 各模态电路仿真波形

运行模式BoostBuck单相三相单相三相U0平均值999.5999.6359.5356.7U0峰峰值/V21.23.30.2U0纹波系数/%0.200.120.920.06iL平均值/A14047.5359.5119.6iL峰峰值/A433.31.1iL总纹波系数/%2.862.10.920.31

比较单相电路和三相交错并联电路的仿真数据，Boost模式下，三相电路输出电压纹波明显小于单相电路，三相电路下的iL峰峰值略小于单相电路，同时三相电路iL平均值约为单相电路的1/3；Buck模式下三相电路电压纹波系数和电感电流纹波系数明显小于单相电路，并且三相电路iL平均值约为单相电路1/3。

5 结束语

通过分析基于储能系统的双向DC/DC变换器的运行原理，提出了三相交错并联双向DC/DC变换器的电路结构，建立了三相交错并联双向DC/DC变换器仿真模型。仿真结果表明，该型变换器能有效减小各相电感电流，减小开关管的电流应力，同时也减小了电流纹波系数与电压纹波系数，并且有效控制蓄电池组充放电，提高了双向DC/DC变换器的功率等级。

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Study of a Three-phase Interleaved Bi-directional DC/DC Converter

ZHAO Deji1，FENG Yulong2，ZHUANG Wei2

(1.School of Optical-Electrical and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2. China Shipbuilding Industry Corporation 711 Research Institute,Shanghai 201108,China)

The bi-directional DC/DC converter is an important part of the power energy storage system. Due to the using of single-phase circuit structure, traditional bi-directional DC/DC converter’s energy storage inductance is too large, the ascension of the converter power has limited. In this paper, a three-phase interleaved bi-directional DC/DC converter topology is proposed, and its working principle and control strategy are analyzed, and the simulation results are also presented. The simulation results show that the three-phase interleaved bi-directional DC/ DC converter used in electric power energy storage system can achieve better voltage and current waveforms, effectively reduce the inductance current, enhance the power level of electric system, provides a guarantee for the safe and stable operation of the power grid and energy storage system .

bi-directional DC/DC converter;three phase parallel connection;power storage system

2016- 07- 22

沪江基金资助项目(B1402/D1402)

赵德骥(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：电气工程。冯玉龙(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：电力推进系统集成。庄伟(1982-)，男，博士研究生。研究方向：电力推进系统集成。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.013

TN86;TM46

A

1007-7820(2017)01-046-05