三相交错式双向DC／DC储能变流器的研究

摘要：大功率双向DC／DC变流器是电力储能系统的重要环节，三相交错技术的引入克服了传统单相DC／DC变流器的缺点。实验结果表明，三相交错式双向DC／DC变流器应用于电力储能系统能获得较好的电压、电流波形，为电网及储能系统的安全稳定运行提供了保障。
关键词：变流器；三相交错；电力储能

1 引言
随着大容量电池储能技术的发展，化学电池电力储能系统成为解决电力系统电能供需矛盾、改善供电质量、提高电网安全和稳定性以及实现电网可持续发展的全新途径。其中双向变流器肩负着电池充电及电能回网的重任，是储能系统的关键设备之一，其输出电压电流的质量对化学电池的安全性能、使用寿命及电网的稳定运行起着至关重要的作用。
传统大功率双向DC／DC变流器采用单相运行模式，对变流器容量、效率及输出电能质量的提高有一定限制作用。在此提出一种基于数字控制的三相交错式双向DC／DC储能变流器控制方案。该控制器采用DSP和FPGA联合控制模式，实现DC／DC变流器的三相交错运行，有效地改善了系统的工作效率和输出电能质量，减小流经各相电感的电流峰峰值及平均电流值，从而减小了开关管的电流应力。另外，三相交错DC／DC变流系统与有源逆变系统结构一致，两套系统同时基于PEBB模块构建，利于实现系统模块化结构。
电力储能系统中蓄电池的充电方式一般有恒压功率电感器限流、恒流限压、先恒流后恒压等模式。无论选用哪种模式，在充电初期及后期都存在充电电流过大或过小的问题，如果电流纹波过大则会对某些电流纹波敏感型蓄电池产生危害。当蓄电池放电时，变流器工作在Boost模式，电路中电感的充放电作用必然造成蓄电池输出电流纹波的产生。采用三相交错技术构建的变流器可以有效减小蓄电池充放电电流纹波，进而减小电流纹波对某些类型蓄电池的危害。

2 三相交错式双向DC／DC储能变流器
在此采用以PEBB模块为基本单元的三相交错拓扑结构，如图1所示。系统采用DSP与FPGA联合控制方式，变流器电电感器厂家压电流信号经DSP采样形成反馈信号，与给定信号比较后经过PI运算单元得到PWM占空比，DSP产生的PWM驱动信号经FPGA移相后送至PEBB模块，驱动功率管的开断。虚线框内，PEBB模块由6个功率开关管和6个功率二极管组成，并形成三相桥臂并联连结结构。当变流器工作在单相模式时，6个功率开关管只有一个处于一定频率的开关状态，其他5个处于闲置状态：当变流器工作在三相交错模式时，Buck电路中3个上管交替导通，3个下管处于关闭状态，Boost电路中3个下管交替导通，3个上管处于关闭状态。

假设变流器工作在单相Buck模式时单个功率管的开关周期为T，该功率管PWM驱动波形的占空比为D，输入电压为Ui，输出电压为Uo，电感值为L。变流器稳定工作状态下，当功率管VS开通，二极管VD关断时，L处于充电状态，则电感电流正向变化量为：

当VS关断，VD开通时，L处于放电状态，则电感电流负向变化量为：

三相交错模式下，保持与单相模式相同的输入输出，并保持功率管的开关频率不变，3个功率管交替导通且互差120°，设其驱动波形占空比分别为D1，D2，D3。当VS1导通时，功率电感器电感L1处于充电状态，电感电流正向变化量为：

式中：t0为VS1关断时刻；t1，t2为VS2开通与关断时刻；t3，t4为VS3开通与关断时刻。
变流器稳态工作时，△iL1+=△iL1-，则有：
Uo／Ui=D1+D2+D3=D (6)
为了便于PWM驱动波形的移相设计，取D1=D2=D3=D／3。当VS2，VS，开断及Boost模式下结论相同。三相交错变流器工作在Buck模式时，3个桥臂的工作时序如图2a～c所示。前T／3，VS1以D／3开断；中间T／3周期，VS3以D／一体电感3开断；后T／3，VS5以D／3开断。当功率管开通时，Ui直接加在输出端，当功率管关断时，功率二极管实现续流作用。同理，三相交错变流器工作在Boost模式时，3个桥臂工作时序如图2d～f所示。

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