基于Simulink的三相交错式DC/DC的设计及仿真

凌雷鸣，刘培哲，庞玲玉，陶　成

(1.江苏镇安电力设备有限公司，江苏　镇江　212000；2.江苏镇安欣润电力科技有限公司，江苏　南京　210000)

目前，围绕以“绿色能源代替传统能源”的方针政策，在全国各地建立了众多的分布式电站。在分布式电站中增加储能装置成为了保证电力系统运行安全可靠的重要手段，同时在多机并网以及平滑功率波动等方面，储能装置也发挥着极为重要的作用。近年来国内外专家就双向变流器的拓扑结构、控制策略以及运行模式进行了大量的分析研究[1]。以图1为系统拓扑结构的PCS为例，着重对多重化DC/DC的控制策略、电压电流双闭环PI控制算法及参数设计等进行详细说明并对整个系统进行Simulink仿真。

1　三相DC/DC交错并联拓扑结构

在对双向DC/DC进行设计的过程中，为减小电流纹波，通常会选用较大的电抗器，这就直接导致了电抗器体积和重量的增加，同时也增加了设备成本。采用交错并联的方式，可以使得各相的电流纹波互相叠加，从而降低总的纹波电流，也就是说，在总纹波电流不变的情况下，采用交错并联能有效减小电抗器参数，即减小了电抗器体积及重量[2]。交错并联DC/DC变换器的拓扑结构如图1所示。

2　双向DC/DC控制器信号的数学模型

由图2可见，采用交错并联的DC/DC可以看成是三个单相的DC/DC叠加所得，相间控制信号错开120°，于是可以按照单相DC/DC对控制器的参数进行设计[3]。通过查阅文献[4]可知DC/DC的小信号模型如下：

(1)

其中vC2为电池电压的波动部分，U2为电池电压的直流部分，Rs为电池内阻对式1进行拉氏变换，可以得到电感电流iL和低压侧电压vC2对占空比d的传递函数如式(2)。

(2)

参考式(2)对控制器进行参数设置，采用电压电流双闭环控制策略，控制原理如图2所示。

其中，Vref与Iref分别电压外环和电流内环的给定值，Gcv(s)和Gci(s)分别为电压环和电流环PI控制器的传递函数，Hv(s)和Hi(s)分别为电压和电流负反馈的传递函数，GPWM(s)为PWM调节器，Gid(s)为电感电流iL对占空比d的传递函数，Z(s)为电感电流iL到输出电压的传递函数。储能系统在恒定电流运行模式下仅有电流内环，当处于恒压充电时才引入电压外环。

2.1　恒流模式控制器设计及仿真

储能系统恒流运行模式包括恒流充电和恒流放电，其系统框图如图3所示。

(3)

在双闭环控制系统中电流内环的响应速度直接影响了系统的响应速度，因此设计电流控制器的穿越频率为开关频率的1/10[5]，即ωi=0.64 kHz，相位裕度取86°，应用Matlab，对系统传函进行设计得到电流内环的PI参数如下：

(4)

在Matlab中搭建Simulink仿真模型，对电流环参数进行验证，在t=0时刻电流为0 A；在t=0.5时刻电流为250 A，其仿真结果见图4。

2.2　恒压模式控制器设计及仿真

在恒流模式的基础上增加一电压反馈回路，恒压模式的系统框图如图5所示。

(5)

电感电流到电容电压的传递函数为：

(6)

无电压外环控制器时系统传递函数为：

(7)

加入电压外环控制器的系统传递函数为：

(8)

加入电压外环PI控制器后，设定其开环的截止频率为电流内环的1/20，即ωv=32 Hz，相位欲度为95°，应用Matlab，对系统传函进行设计得到电压外环的PI参数如下：

(9)

在Matlab中搭建充电模式下的Simulink仿真模型，对电压环参数进行验证，在0.5s时，电压跃变为360 V，其仿真结果见图6。

在Matlab中搭建放电模式下的Simulink仿真模型，对电压环参数进行验证，在0.3 s时，电压跃变为650 V，在0.5 s时，突加负载，其仿真结果见图7。

3　结束语

对储能系统中三相交错式并联DC/DC变换器拓扑结构进行了研究，对双闭环控制器参数进行了设定，并对储能系统在恒流及恒压工作模式下进行了Matlab/Simulink仿真，仿真结果表明，系统稳定并具有较好的响应特性。充电时，根据SOC决定是恒流充电还是恒压充电，一般SOC小于80%时，恒流充电；大于80%时，恒压充电；放电时，保持高压侧电压恒定，恒压放电。分布式电站中，要求DC/DC具有双向变换的功能，并要求其具有很好的稳定性及快速响应，从图9、图10的仿真结果可以看出本设计满足微电网中DC/DC的设计要求。

参考文献：

[1]赵慧杰.一种新型单电源级联多电平变流器的控制策略研究[D].浙江:浙江大学,2007.

[2]王晓琴,张武.交错并联在低压大电流开关电源中的应用[J].电子设计工程.2016,(14):184-185.

[3]王玉斌.单相并网逆变器前级交错并联DC/DC变换器的研究[J].电力系统保护与控制.2012,(12):66-71.

[4]汪铭.用于储能系统的多重化双向DC/DC变换器的研究[D].武汉:华中科技大学,2014.

[5]郑喻,牛欢欢,付登昊.基于比例谐振控制器的逆变控制系统研究[J].电气开关,2015,(5):45-47.