電池儲能系統雙向DC-DC變換器設計之均流控制

在昨天的文章中，我們為大家分享了一種多電池包儲能系統適用的DC-DC變換器設計辦法，并針對這一DC-DC變換器辦法中的設計原理進行了具體解析。在今天的辦法分享中，我們將會持續就這一設計辦法的均流控制系統展開具體分解，下面就讓我們一起來看一下這種新型變換器的均流控制電路是要怎么樣設計的吧。

在這一雙向型的DC-DC變換器設計辦法中，這一新型變換器的基本工作原理為Buck和Boost變換，其設計電路圖如下圖圖1所示。可以看到，在這一系統中，當電池放電時，DC-DC變換器以Boost工作模式運行，在電池充電時，DC-DC變換器以Buck工作模式運行，在這里就不再對對Buck和Boost工作模式的常規控制策略進行額外描述了。依據戴維寧等效電路的設計原理，圖1所示電路單組電池可做如圖2等效。

圖1三組電池儲能系統雙向DC-DC變換器

圖2DC-DC變換器等效電路

在上圖圖2所示的這種單組電池系統適用的雙向DC-DC變換器等效電路圖中，參數V1和V2分別是兩個并聯模塊對應的開路電壓，采用橋臂輸出模式。Z1、Z2為兩個模塊等效阻抗，Z3為并聯接點到電池的阻抗。由于各并聯模塊銅排的布局、驅動的死區、以及IGBT的開通延時和上升沿等的不同，導致輸出V1不等于V2，同理每個并聯模塊輸出電纜長度和電抗器阻抗不同，一般Z1不等于Z2。此時，倘若不采用均流控制策略，那么將會導致兩個模塊輸出電流不一致，且出現環流，環流大小可計算為I=（V1-V2）/（Z1+Z2）。

環流問題的存在，關于我們所設計的這一雙向DC-DC變換器均流系統而言是一個非常大的妨礙，這一問題不僅會導致流過IGBT的電流增大，同時也影響系統效率。為了能夠有效抑制環流，實現兩組變換器均等的輸出電流，非得采用均流控制策略，即是每個并聯模塊采用獨立的反饋控制，以實現兩并聯模塊電流相等，實現均流。當采用均流控制后兩個變換器可等效為下圖圖3所示兩個并聯的電流源，通過控制，當I1=I2時，即可戒備環流的出現。

圖3采用均流控制后等效電路

在完成了并聯模塊的設計后，我們所完成的并聯模塊的均流控制框圖如下圖圖4所示，在圖4中，參數I_ref為電池給定充放電電流。可以看到，當兩路模塊并聯時，每個模塊的電流指令為I_ref的一半，分別與對應模塊的電流反饋（I1_f或I2_f）形成閉環，采用該控制策略能使兩路輸出電流完全相等。

圖4電流控制框圖

那么，在采用了這種并聯模塊的控制策略后，兩路輸出電流的控制效果到底要怎么樣呢？下圖中，圖5是，采用均流前后的穩態仿真波形。本文中我們所探測的電流波形以充電電流為負方向，放電電流為正方向。其中，圖5（a）為兩并聯橋臂為同一個脈沖，僅L1電流為閉環控制，因此由于輸出阻抗（這里設定L1橋臂5mΩ，L2橋臂8mΩ）不同，L2電流與L1差5A左右，輸出總電流也差5A，而圖5（b）中，波形為兩并聯橋臂獨立控制，均流度較好，兩橋臂電流波形重合，達到了均流目的。

（a）

（b）圖5采用均流控制措施前后的波形比較

在辦法中，在我們所設計的這種120kW、適用于多電池包蓄能系統的雙向型DC-DC變換器中，交錯并聯的兩組變換器即采用相同的電流指令（總電流的一半），經閉環控制后能夠實現均流輸出。當蓄能系統運行于充、放電狀態時，兩組變換器電流給定值相同。當工作于恒壓浮充狀態時，電流指令由電池電壓環決定，電壓環調節器輸出一分為二作為兩組變換器電流環指令。當系統運行于孤島模式時，電流指令由直流母線電壓環決定，同樣將電壓環調節器輸出一分為二作為兩組變換器的電流指令以實現均流控制。

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