分布式发电储能系统宽增益双向DC-DC变换器研究

刘禾雨，宗 斌，薛 军，郭 涛

（国网江苏省电力有限公司 检修分公司，南京210000）

近年来随着智能电网的迅速发展，高效开发并利用各种分布式能源已成为研究热点。常见的分布式能源包括光伏发电、风电、燃料电池和地热等[1]。分布式能源的配置区域通常临近负荷侧，其并入电网后既可以分担发电厂的压力，又可以省去输变电的需求，高效经济地实现绿色供电。尽管优势明显，但分布式能源在实际应用中的问题也很突出。其中最为显著的就是输出功率不稳定，易受外界因素的影响，具有较大的波动性[2]。因此，减小分布式能源并网后的功率波动，维护电力系统的可靠运行，长期以来一直是备受研究关注的热点问题[3-4]。

1 分布式发电储能系统介绍

近年来，为解决分布式能源并网应用中出现的问题，进行了很多相关领域的研究[5]。这些研究大致分为两类：①从电网侧出发，提出了许多类似于负荷预测的控制策略；②从分布式发电结构侧出发，从硬件上使用了储能系统，用于改善系统整体的供电可靠性，实现对功率波动的“削峰填谷”[6]。这就要求储能系统能够实现功率的双向流动，同时具有较快的功率响应速度。

分布式发电储能系统结构如图1所示。分布式能源（如PV 光伏阵列、风机、燃料电池等），通过Boost 变换器连接到高压直流母线上，蓄电池组通过双向DC-DC 变换器与直流母线相连，最后直流母线经并网逆变器作用后实现并网，同时向本地负载供电[7]。蓄电池作为最常见的双向能量源，其输出电压通常远低于高压直流母线。若通过串联的方式提升输出电压容易影响供电可靠性，同时增加系统的体积成本。因此，需要能够适应蓄电池输出电压范围，具有宽增益特性的双向DC-DC 变换器作为蓄电池组与高压直流母线的功率接口，通过一定的SOC（能量管理）策略在实际工况下实现功率的双向流动[8-9]。

图1 分布式发电储能系统结构框图Fig.1 Structure block diagram of distributed generation energy storage system

传统的Buck-Boost 双向DC-DC 变换器，由于内部功率器件存在一定的寄生参数，影响了其增益范围，使其在实际工况的应用中受到限制，而且功率器件容易工作在极端占空比状态，降低了变换器的转换效率[11]。因此，在储能系统的应用研究中，双向DC-DC 变换器的关注热点在于如何获得宽范围的电压增益[12-13]。故在此提出并设计了新型的宽增益双向DC-DC 变换器，从理论原理上分析了变换器特性，最后通过仿真试验验证了所提变换器的可行性。

2 变换器原理分析

2.1 拓扑结构介绍

在此所提出的宽增益双向DC-DC 变换器结构如图2所示。

图2 变换器拓扑结构Fig.2 Converter topology structure

图中，Q1—Q4为有源功率开关，D1—D4分别为4 个功率开关内部各自的反并联二极管；电容C1，C2和电感L 作为拓扑中的主要储能元件，可有效提高电压增益；Ulow为低压侧电压；Uhigh为高压侧电压；电容C3，C4分别为低压接口、高压接口的滤波电容。

2.2 变换器工作原理

2.2.1 升压模式

根据主开关管Q1的通断时间，可以确定变换器在升压模式下的开关周期情况。在一个周期内，变换器的工作状态可归纳为2 种，具体如图3所示。

1）开关状态1 其工作状态如图3a所示。Q1和Q3同时导通，Q2和Q4同时关断；通过分析电流回路，输入电源Uin通过Q1向L 充电。同时，C1通过Q1和Q3向C2充电；滤波电容C4向负载放电。

2）开关状态2 其工作状态如图3b所示。Q2和Q4同时导通，Q1和Q3同时关断；Uin与L 串联，经Q2向C1充电。同时，Uin，L 与C2串联，经Q4为C4充电，并将电能供给负载。

图3 变换器升压模式工作状态Fig.3 Working state of converter in boost mode

2.2.2 降压模式

参考升压模式的分析方式，可以得到所提变换器在降压模式下的工作状态，具体如图4所示。

图4 变换器降压模式工作状态Fig.4 Working state of converter in buck mode

1）开关状态1 其工作状态如图4a所示。Q2和Q4同时导通，Q1和Q3同时关断；Uin通过Q4向L，C2和C3充电，同时向负载放电；C1经Q2向L 和C3组成的串联支路放电。

2）开关状态2 其工作状态如图4b所示。Q1和Q3同时导通，Q2和Q4同时关断；C2经Q1和Q3向C1充电；L 将上一个状态所储存的电能经Q1供给负载，同时给C3充电。

2.3 升压模式下电压增益计算推导

假定功率开关Q1和Q3为主管，其导通时长为dT，则断开时长为（1-d）T，将功率器件的寄生参数忽略不计，利用伏秒平衡原理，对电感L 与其他功率器件的电压关系表述为

在各工作状态下，其他电容的电压关系为

结合公式（1）（2），可得高压端口与低压端口，即输出电压与输入电压的关系为

2.4 功率器件电压应力分析

由升压模式下变换器各工作状态的电压关系，可以算出拓扑中4 个功率开关Q1—Q4的电压应力相同，均为输出电压的1/2，即

此外，可以推导出各个电容所承受的电压应力同样为输出电压的1/2，即

2.5 与传统Buck-Boost 变换器的比较

在此所提变换器与传统Buck-Boost 双向变换器的比较情况见表1。由表可知，所提变换器相比传统Buck-Boost 双向变换器，在电压增益方面实现了翻倍，同时维持功率器件的电压应力不变，即为输出电压的1/2。所付出的代价仅是增加了2 个功率开关和电容，成本未明显增加，具有较高的性价比。

表1 本文所提变换器与传统Buck-Boost 双向变换器的比较Tab.1 Comparison between proposed converter and traditional Buck-Boost bidirectional converter

3 整体设计方案

3.1 变换器控制策略

所提变换器控制策略原理如图5所示。变换器整体基于电压闭环控制，辅以能量管理（SOC，state of charge）算法，可以应对实际应用中的各种工况条件。PI 控制器将输出电压的设定值与测量值相减的结果进行误差处理，在选通环节根据设定的SOC 策略，计算输入功率与输出功率差值，进而调整系统所需蓄电池的功率补偿。最后，通过PWM 驱动信号发生器输出开关信号控制功率开关的通断，输出接口即可得到目标电压，构成一个完整的控制流程。

图5 变换器控制原理Fig.5 Converter control schematic

3.2 变换器硬件选型

为验证所提变换器在实践中的可靠运行，设计了额定300 W 的原理样机。输入电压使用0～100 V可调直流电源模拟蓄电池工作，DSP 控制器选型为TMS320F28335，4 个功率开关所选取的MOSFET 型号均为IRF640N，电感L=200 μH，电容C1=C2=47 μF，C3=22μF，C4=100μF。

试验条件以升压模式为基础，具体试验参数：开关频率fs=20 kHz，输入电压范围为Uin=40～80 V，输出电压稳定在Uo=300 V，负载电阻R=300 Ω，即额定功率为300 W。

4 试验结果分析

以升压模式下的工作状态为例。试验条件为Ulow=60 V，Uhigh=330 V，电感电流iL与功率开关Q1电压应力波形如图6所示。

图6 电感电流与功率开关Q1 电压应力的波形Fig.6 Waveform of inductance current and voltage stress of power switch Q1

由于功率开关数量较多，此处以Q1的电压应力与电感电流iL作为展示波形。当Q1关断，即其两侧电压为0 时，电感L 处于充电状态，因此通过L 的电流iL上升；当Q1开通，加在其两端的电压应力为输出电压的1/2，同时电感L 放电，通过L 的电流iL下降。这一试验结果验证了关于变换器应力分析的正确性。

在电压闭环的控制作用下，输出电压保持稳定，可以允许输入电压有一个较宽的可变范围。当输入电压Uin从80 V 降至40 V 时，变换器的动态波形如图7所示。由图可见，在输入电压逐渐降低的过程中，输出电压稳定维持在300 V 不变，其对应的电压增益也从不到3.75 倍增加到7.5 倍。由此证明，如果将变换器应用在储能系统中，所提变换器可以匹配大多数不同电压的蓄电池作为输入源，同时维持母线电压稳定的作用。

图7 输入电压降低过程中变换器的动态波形Fig.7 Dynamic waveform of converter during input voltage reduction

在Ulow=48 V，Uhigh=300 V，不同输出功率下变换器的效率对比如图8所示。图中，2 条曲线分别为升压和降压模式下，变换器以100～300 W 的输出功率Po，通过横河Yokogawa T500 功率分析仪测量得到的试验效率结果。

图8 不同输出功率下的变换器效率Fig.8 Converter efficiency under different output power

由测量结果可见，无论是升压模式还是降压模式，试验效率均随着输出功率的提高而升高，即在Po=300 W 的情况下，升压模式的最高效率为95.9%，降压模式的最高效率96.5%。即使在Po=100 W 的情况下，变换器的最低效率也有91.6%。效率曲线所展现出的趋势证明，变换器损耗并没有随着功率的升高而出现明显的增大，因此变换器的固有损耗在总损耗中比例较高。

5 结语

所设计的具有宽增益特性的双向DC-DC 变换器，接口于分布式发电储能系统中蓄电池与高压直流母线之间。控制策略包括了PI 电压闭环控制和能量管理算法，从而变换器可以适应至少40～80 V 的蓄电池电压范围，同时将直流母线电压精确地稳定在300 V，改善分布式能源功率波动性大的问题，实现对功率的“削峰填谷”。本文对于所提变换器的性能分析内容有限，涉及变换器的建模和损耗分析等工作尚待进一步完成[14]，后续研究将围绕这一问题进行更加深刻的挖掘。