一种电流源型双向储能变流器设计

韩 涵　李锐华　胡 波　胡 浩



一种电流源型双向储能变流器设计

韩 涵李锐华胡 波胡 浩

（同济大学电气工程系，上海201804）

针对电压源型AC-DC储能变流器存在低压调节范围小、电流纹波大的问题，本文设计了一种三相电流源型AC-DC变换器与特殊的隔离型DC-DC变换器相结合的两级式储能变流器。基于DSP TMS320F28335和SVPWM控制策略实现了对该变流器的数字化控制，最后通过试验验证了电路拓扑和控制策略的可行性和有效性。

储能变流器；电流源型变换器；空间矢量调制

环境污染和能源危机问题的日益严峻促使分布式新能源发电在我国发电能源结构中所占的比例逐年增加，然而分布式新能源发电系统易随环境波动、难以预测的特性对电网的电压稳定、可靠性和电能质量产生影响[1-4]。电池储能系统作为一种能量存储媒介，具有双向功率能力和灵活调节特性，可以有效改善可再生能源发电功率波动性与间歇性，对电网带来的负面影响，提高电网对分布式新能源的接纳能力，因此具有广阔的应用前景[5-8]。

储能变流器作为电池储能系统中关键部件之一，可将不同种类电池存储的直流能量转换为符合相应标准的交流电能。长期以来，电压型储能变流器以其较低的损耗、简单的结构及控制等优点在电池储能系统中得到了广泛的应用[9]。但是电压型变换器从交流侧到直流侧具有升压特性，导致其在低压范围内调节范围小，如需满足系统宽范围电压输出的要求，电压型AC-DC变换器还需额外的DC-DC降压电路[10]。而且电压型变换器直流侧输出电流纹波大，蓄电池对电流纹波非常敏感，电流纹波过大会对电池的使用寿命造成严重损害[11]。

针对上述问题，由于电流型变换器从交流侧至直流侧为降压特性具有宽范围的电压输出和电流调节能力，而且输出电流纹波小，因此电流源型变换器比电压型变换器在电池储能系统应用中更具优势。本文设计了一种基于电流源型变换器的双向储能变流器。该变流器采用三相电流源型AC-DC变换器与特殊隔离型DC-DC变换器相结合的两级式结构，可以实现低压范围内宽范围的电压、电流调节，并且辅以特殊隔离型DC-DC变换器实现电气隔离，以及能够改变系统直流侧电流方向，实现能量双向流动。并基于DSP TMS320F28335和SVPWM控制算法实现了对该变流器的数字控制。最后研制了一套10kW的变流器测试样机。测试结果表明，该变流器在低压范围内电压输出范围大，可以实现能量双向流动。测试结果验证了该变流器设计方案的可行性和有效性。

1 变流器拓扑结构及工作原理

该变流器的拓扑结构如图1所示。有三相电流源型AC-DC变流器CSC I、电流源型DC-DC变流器CSC II、高频变压器HFT和电压源型DC-DC变流器VSC等几个主要组成部分。

主电路工作在充电模式时，网侧交流电通过滤波器和三相电流源型AC-DC变流器CSC I后，调制成直流电，直流电通过高频变压器一次侧的电流源型变流器CSC II逆变成方波，方波再经过二次侧续流二极管不控整流，最后输出电压和电流均可调节的直流电。在充电模式下，环流开关S17一直处于开通状态，确保直流电感DC的放电回路，并且提高效率。

图1 模拟系统主电路拓扑

主电路工作在放电模式时，负载端的直流电通过高频变压器二次侧的电压源型变流器VSC逆变成方波，方波通过高频变压器二次侧与IGBT串联的二极管进行不控整流，输出直流电，最后由三相电流源型AC-DC变流器CSC I逆变成交流电，将能量回馈至电网。放电模式下，环流开关S17一直处于断开状态。

2 控制策略设计

2.1 充电模式下控制策略设计

针对模拟系统的电路拓扑，其电源模式下的等效电路如图2所示。由于CSC I中的PWM调制频率远远大于电网电压频率，所以在一个调制周期内，可将图1中电网侧交流电压视为一个恒定值s，CSC I的开关S11—S16用开关S表示，二极管D代表充电模式下D17所在支路，隔离型DC-DC变流器使直流输出侧等效为直流电容[12]。由等效电路可以看出，网侧至直流侧三相电流源型AC-DC变流器CSC I、直流电感DC、隔离型DC-DC变流器构成了基本的Buck电路。

图2 充电模式的等效电路

根据Buck电路瞬时电流控制原理，当开关S开通与关断时，直流电感的电流波动如图3所示。分别在开关S开通与关断时，列出电感电压表达式，最后整理得出

式中，为占空比；s为开关周期；ON为开关S开通时间；dc为直流侧给定电压；1和3如图3所示分别为一个开关周期内起始时刻电流和s时刻 电流。

图3 充电模式直流电感LDC的电流波形

3作为电流指令值*，并且加入PI控制后，占空比计算式即可表示为

空间矢量控制的极角计算式为

因此，在充电模式下，依据式（2）和式（3）得到占空比和电压空间矢量极角，实现电流源型AC-DC变流器的空间矢量调制，达到输出电压、电流调节的目的。

2.2 放电模式下控制策略设计

图4为放电模式下的等效电路。由于相位超前充电模式180°相位角，因此S方向相反。由于隔离型DC-DC变流器次级输出电流与电源模式下的电流方向相反，所以dc方向也相反。从直流侧至网侧→隔离型DC-DC变流器→直流电感DC→电流源型AC-DC变流器CSC I构成了基本的Boost电路。

图4 放电模式的等效电路

根据Boost电路瞬时电流控制原理，开关S在开通与关断时，直流电感的电流波动如图5所示。分别在开关S开通与关断时，列出电感电压表达式，最后整理得出

在放电模式下，电流指令值和电流反馈值方向与式（4）相反，经过符号反向处理，再加入PI控制器，空间矢量控制的占空比计算式整理为

可以得出占空比计算同充电模式下相同。放电模式下，空间矢量极角计算式为

因此，在放电工作模式下，可以通过式（5）和式（6）的控制策略得到占空比和电压空间矢量极角，实现电流源型AC-DC变流器的空间矢量调制，达到控制网侧电流相位和电流正弦化的目的。

综上所述，系统CSC I部分的控制框图如图6所示。空间矢量调制所需相位角由锁相环PLL获得，占空比由上述公式得到，a、b分别为网侧电压，dc为给定直流电压，dc为直流侧反馈电流，*dc为直流给定电流。根据此控制策略，可以进行直流侧恒压、恒流控制，并实现网侧电流正弦化和电流相位控制。

图6 系统控制框图

3 仿真验证

为验证本文所提电路拓扑和控制策略的可行性和有效性，利用PSIM电力电子仿真平台对其进行仿真分析和验证。系统仿真参数如下：输入线电压为380V，额定频率为50Hz，额定输出功率为10kW，电网侧滤波电容AC为15mF，滤波电感AC为0.46mH，高频变压器原副边匝数比为1，直流侧电感DC为2.5mH，负载类型为受控的理想电池，负载端电压、电流服从给定，开关频率为10kHz。

图7和图8分别为直流侧电流参考值改变情况下，系统直流侧电流波形和网侧电压、电流波形。

图7 直流侧指令电流Idcr和实际电流Idc

图8 网侧A相相电压和相电流

dcr为直流侧指令电流，dc为实际输出电流，a和a为网侧A相相电压和相电流，dcr为正值时系统工作在充电模式，dcr为负值时系统工作在放电模式。从仿真结果可以看出，直流侧电流参考值改变情况下，直流侧输出电流连续可调，电流纹波小，并且网侧电流正弦度良好，可以实现高功率因数运行。

图9、图10和图11分别为直流侧电压参考值不同时，系统直流侧电压波形和占空比响应曲线以及网侧电压、电流波形。

图9 直流侧指令电压Vdcr和实际电压Vdc

图10 占空比m响应曲线

dcr为直流侧指令电压，dc为实际输出电压，a和a为网侧A相相电压和相电流。从仿真结果可以看出，直流侧输出电压连续可调，系统低压调节范围大，占空比与直流侧输出电压呈正比关系，并且系统能够稳定运行在高功率因数下。

图11 网侧A相相电压和相电流

4 变流器设计与实现

为了进一步验证电路拓扑和控制策略的可行性和有效性，搭建了基于DSP TMS320F28335的硬件实物系统，其系统硬件框图如图12所示。

本系统试验平台主要由系统主功率电路、分立功能电路、控制电路组成和辅助部分4个部分组成。系统主功率电路是系统实现的主要部分，分立功能电路包括电压和电流检测模块、功率器件驱动电路。控制电路由DSP及其外围核心电路组成，DSP主要负责对检测信号的采集和控制算法的实现。

系统设计指标：输入线电压为380Vrms，额定输出功率为10kW，输出端额定电压为400V，电流理想输出范围0～25A，开关频率为10kHz。充电模式下负载端用25W额定电阻代替。试验结果分别如图13、图14所示。

图12 系统硬件框图

在图13和图14中，a和a为网侧A相相电压和相电流，dc为输出侧直流电压。从图13、图14可以看出，在线电压380V输入情况下，系统能够在较宽的直流电压范围内工作，并且可以实现能量双向流动和良好的网侧电流正弦度，证明了系统电路拓扑和控制策略的可行性和有效性。

（a）直流侧给定2A

（b）直流侧给定5.5A

（c）直流侧给定8A

（d）直流侧给定10A

图13 充电模式下网侧电压、电流与直流侧电压波形

（a）电流为1A

（b）电流为1A

图14 放电模式下网侧电压、电流与直流侧电压波形

5 结论

本文针对电压源型AC-DC储能变流器低压调节范围小、电流纹波大的问题，提出了一种新型的电流型储能变流器结构。试验结果表明，该系统在低压范围内电压输出范围宽，电流纹波小，具有电压、电流均可调的特点，可以实现能量双向流动，具有很好的应用前景。

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Design of Bidirectional Power Conversion System based on Current Source Converter

Han Han Li Ruihua Hu Bo Hu Hao

(Electrical Engineering of Tongji University, Shanghai201804)

In order to solve the voltage source AC-DC converter problem of small adjustment range and high current ripple, a novel AC-DC-DC isolated converter with bidirectional power flow capability is proposed. The proposed structure consists of a three-phase current source converter and a special DC-DC isolated converter. Then, we achieved digitalized control based on DSP TMS320F28335 and SVPWM control algorithm. The experimental results verify the feasibility and validity of the circuit topology and control strategy.

power conversion system；current source converter；SVPWM

韩涵（1992-），男，同济大学在读硕士研究生，研究方向为电力电子技术。