分布式风光储系统双向DC-DC变换器研究*

吕项羽，刘畅，王勇，李喆

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，长春130021；2.上海交通大学电气工程系，上海200240）

0 引 言

风光互补系统受光照、风力条件影响较大，具有很大的功率波动性［1-3］。

所以单纯的并网系统难以应对电网故障、负载功率和发电功率不匹配等问题以及无风、夜晚或阴雨天停电的极端情况［4-5］。

文献［6-7］中的分布式发电系统引入了储能模块，并使用双向DC-DC连接蓄电池和直流母线。其中双向DC-DC具有保持系统内功率流动动态平衡并改善并网逆变器输出电流电能质量的作用。所以，双向DC-DC在整个分布式发电系统中尤为关键。文献［8］提出了电池侧双向DC／DC电路的双闭环控制可保证电池电流灵活可调；文献［9］提出了一种半桥结构的Buck-Boost型双向DC-DC变换器，实现了发电功率削峰填谷、平抑的功能；文献［10］提出了一种两相交错并联Buck-Boost型双向DC／DC变换器，采用一种新的移相均流控制策略抑制电感电流纹波、保持两相间电流均衡。但是这些系统的蓄电池侧都要求较高的电池电压。串联大量蓄电池，使得电池均压管理困难，也增大了整机体积。

本文研究一种分布式风光互补并离网储能系统，从功率流动和能量管理的角度分析了其中双向DC-DC变流器的关键作用。然后详细分析了双向双有源全桥DC-DC的工作原理及功率特性。最后通过实验结果分析、验证了系统的多模式运行，以及有效的功率控制。

1 风光互补并离网储能系统

1.1 系统架构

本文研究的风光储并离网系统架构如图1所示。光伏阵列通过Boost电路连接到380 V～500 V的直流母线上，可以实现光伏发电的最大功率追踪功能。同时，风机控制器的输出电压通过另外一路Boost变换器连接到直流母线。母线电容通过双向DC-DC变换器，连接低压蓄电池，完成对其充电和放电。直流母线电容，通过H桥双向逆变器，连接单相电网。控制器通过比较光伏输出功率、风机控制器输出功率、负载功率以及蓄电池荷电状态，来判断和控制系统内功率流动方向。

图1 风光储系统架构图Fig.1 Infrastructure diagram of the wind-photovoltaic-storage system

1.2 系统的工作模式

当电网故障且PV风机发电功率小于本地负载所需功率时，此时蓄电池通过双向DC-DC，馈电给直流母线电容，和PV阵列、风机一起通过DC-AC变换器供给本地负载使用。此时双向DC-AC工作在逆变状态，双向DC-DC工作在放电状态。

此模式下的功率关系如式（1）所示。

式中PWIND为风机输出功率；PBAT为蓄电池的放电功率，正值表示蓄电池处于放电状态，负值则表示蓄电池正在充电，下同。

而当电网正常且PV风机发电功率小于本地负载所需功率时，由DC-AC来闭环控制直流母线电压为380 V，PV阵列、风机、蓄电池和电网同时供给本地负载，此时DC-AC工作在逆变状态；或者，电价较为便宜且没有负载时，电网将通过DC-AC及双向DC-DC来给蓄电池充电，此时DC-AC工作在整流模式。此模式下的功率关系式如式（2）所示。

式中PGrid为电网流向风光储系统的功率，负值则表示风光储系统馈电给电网的功率。

由以上对系统工作模式及其切换、各种模式下系统内功率流动的分析可知，双向DC-DC的关键之处不仅在于它丰富和完善了风光储系统的工作模式和应对各种工况下的能力，而且在于它稳定直流母线电压的能力，还在于它改善了风机、光伏注入电网的功率波动的情况，提高了并网端输出电流的电能质量。所以，双向DC-DC变换器是整个风光储系统的关键。同时，蓄电池和直流侧的电压变比较大，所以带有高频隔离的双向双有源全桥DC-DC变换器将是合适的选择。整个风光储系统的框图如图2所示。

图2 风光储系统拓扑图Fig.2 Topology diagram of the wind-photovoltaic-storage system

2 双向双有源DC-DC工作原理及控制策略

双向双有源DC-DC变换器的拓扑如图3所示。

图3 双向双有源DC-DC变换器的主拓扑电路Fig.3 Main topological circuit of double active bi-directional DC-DC converter

图3所示的双向双有源DC-DC采用移相控制，通过控制变压器两侧全桥的驱动波，使得原边和副边产生相差一定移相角的驱动信号。而通过控制移相角的大小就可以控制变换器中功率的大小和流动方向，同时实现软开关。如图4为移相控制时变换器的主要工作波形。

图4 移相控制时变换器的主要工作波形（充电时）Fig.4 Operating waveform of converter in phase shifted control（charging）

2.1 变换器工作模态分析

本节以高压侧向低压侧传输功率为例，分析该变换器的工作模态。为简化推导过程，便于表述，须作假设：（1）变换器处于稳态工作状态；（2）所有开关管均视为理想开关反并一个二极管，再并联寄生电容；（3）V1＞KV2，其中K为变压器原副边匝比；（4）变压器是理想的，激磁电流为零。

在主拓扑中，变换器正向工作时，S1、S4的驱动信号超前于 Q1、Q4，S2、S3超前于 Q2、Q3。在一个开关周期内，变换器有10个开关模态。由于t5时刻之后，变换器开始另一半个周期的工作，其工作情况类似于半个周期。所以，图5仅给出前半周期的工作模态等效电路。开关模态图5（a）中，直流母线输出功率，蓄电池吸收功率；开关模态图5（b）是S1和S4的ZVS开通的谐振过程；开关模态图5（c）中，电感释放能量给直流母线电容和蓄电池；开关模态图5（d）中，直流母线电容和蓄电池同时给电感储能；开关模态图5（e）是Q5和Q8的ZVS的开通过程；开关模态图5（f）中，直流母线电容输出功率，蓄电池吸收功率。

2.2 变换器功率特性分析

基于对双向双有源DC-DC变换器各工作模态的详细分析，我们可以研究其功率特性。由于开关管开关过程时间较短，下面的分析忽略了开关模态图5（b）和图5（e）的时间及其瞬态过程。那么可认为在［t0，t3］时段内是线性上升的，其表达式为：

图5 各开关模态的等效电路（充电时）Fig.5 Equivalent circuit of switching mode（charging）

式中IL（t0）为电感电流在t0时刻的大小；K为变压器原副边匝比；L为变压器的漏感与高压侧外加电感之和；V1为高压侧直流母线电压；V2为低压侧蓄电池的端电压，下同。

由于t3－t0＝φ，那么t3时刻电感电流大小为：

式中 φ为移相角，充电时为正值。同理，［t3，t5］时段内iL的表达式为：

由式（5）可得t5时刻电感电流大小为：

由于iL在正负半个开关周期上是对称的，故有IL（t0）＝－IL（t5）。那么根据式（4）和式（6），可得：

式中 Ts为开关周期。结合式（3）、式（5）和式（7），可以写出正向工作时半个开关周期内iL的表达式为：

由式（8）可得正向功率传输时原边输入平均功率的表达式为：

式中I1AVG为双向DC-DC的输入电流平均值。

为表述方便，定义：k＝KV2／V1，Pbase＝V21Ts／（8L），φ＝T*sD／2。其中D为移相角φ与半个周期的比例，定义为移相比；Pbase为基准功率。则正向功率传输时（0＜D≤1）原边输入平均功率P0的标幺值为：反向功率传输的功率计算同理可得，整理得－1≤D≤1时P0的标幺值为：

从式（11）可以看出移相比 D在［－0.5，＋0.5］的区间里，传输功率与移相比成正相关。故可以通过控制移相比，有效控制双向DC-DC中功率的流动，从而完成系统各种工作模式。

2.3 变换器的控制策略

如图6为双向DC-DC变换器的控制框图。双向DC-DC变换器低压端口连接较低电压的蓄电池，高压端口连接风光储系统的直流母线。系统实时检测双向DC-DC变换器两端口的电压V1、V2。工作模式控制器通过当前的电网状态（故障／正常）、光伏发电功率PPV、风机功率PWIND和本地负荷Pload的大小来决定定当前的工作模式，例如当电网故障且PPV＋PWIND＜Pload的时候，变换器工作在放电状态：此时可通过调节移相比，闭环控制直流母线电压稳定在V1ref左右。由式（11）可知，移相比在［－0.5，＋0.5］的区间里，传输功率与移相比成正相关。故我们可以判断出放电状态下PI调节的方向。

图6 变换器的控制框图Fig.6 Control block diagram of the converter

由以上分析可知，通过这种带选通的闭环控制，可以控制移相角从而控制充放电时的输出电压以及功率流动。

3 实验分析

本文以DSP芯片TMS320F28335为控制芯片，搭建了实验样机，如图7所示。样机主要参数见表1。

图7 分布式风光互补并离网储能系统样机Fig.7 Prototype of distributed wind-photovoltaic-storage system

表1 样机主要参数Tab.1 Main parameters of the prototype

系统并网侧的输出电流波形如图8所示。双向DC-DC变换器高压侧所串电感的电流和端电压波形如图9所示，可以看出双向DC-DC通过电感的充放电，完成了高压侧直流母线向低压侧蓄电池的充电过程。

图8 逆变器输出电流波形和电网电压波形Fig.8 Output current waveform and grid voltage of inverter

图9 双向DC-DC电感电流和电压波形Fig.9 Inductance current and voltage waveform of bi-directional DC-DC

4 结束语

本文提出了一种基于双向双有源DC-DC变换器的风光储发电系统的架构和控制策略，并研究了该系统的核心部分—双向DC-DC变换器的实现方式，详细介绍了其拓扑结构、工作方式、功率特性和控制策略。理论分析和实验证明，双向双有源DC-DC变换器作为风光储系统的关键部件，能够丰富系统的工作模式，有效地提高风机、太阳能系统的利用率。