多电池组储能系统双向DC-DC变换器的研制

组电池额定电压：DC400 V;

单组电池电压范围：DC330~DC460 V;

单组电池最大充电电流：110 A;

单组电池最大放电电流：110 A;

变换器直流母线额定电压Vdc:DC500 V

为了与其他产品兼容，本文研制的120 kW 双向DC-DC 变换器采用2 个三相IGBT 全桥电路(PWM1 和PWM2)构成，图4 所示，两个半桥输出并联作为1 路DC-DC 变换器，采用该拓扑还有一个最大的优点是双向DC-DC变换器与PWM双向并网变换器均是采用的三相IGBT 全桥电路，因此二者的IGBT 功率模块(IGBT、散热器、电容)IGBT的驱动及控制电路均可以借用，减少了开发时间、维护也比较方便。

图4 3 组电池储能系统双向DC-DC 变换器。

本文研制的120 kW 锂电池储能系统双向DC-DC 变换器，在电网断电时，还能作为电压源输出，即以Boost 模式工作，输出电压Vdc 稳定，后级PWM 双向并网变流器则做孤岛运行，断开KM1、闭合KM2,保证关键负荷供电。

2 控制系统设计

本文研制的双向DC-DC 变换器，其基本工作原理为Buck 和Boost 变换，当电池放电时，DC-DC变换器以Boost 工作模式运行，在电池充电时，DC-DC 变换器以Buck 工作模式运行，本文不再对对Buck 和Boost 工作模式的常规控制策略进行累述，仅对电池储能系统中双向DC-DC 控制器设计时需要注意的几个方面进行了分析。

2.1 均流控制

根据戴维宁等效电路，图4 所示电路单组电池可做如图5 等效。

图5 DC-DC 变换器等效电路。

其中V1、V2 分别为两个并联模块对应的开路电压(桥臂输出)，Z1、Z2 为两个模块等效阻抗，Z3为并联接点到电池的阻抗，由于各并联模块铜排的布局、驱动的死区、以及IGBT 的开通延时和上升沿等的不同，导致输出V1≠V2,同理每个并联模块输出电缆长度和电抗器阻抗不同，一般Z1≠Z2,如果不采用均流控制策略，将导致两个模块输出电流不一致，且产生环流，环流大小为I=(V1-V2)/(Z1+Z2)。

环流的存在不仅导致流过IGBT 的电流增大，同时也影响系统效率，为有效抑制环流，实现两组变换器均等的输出电流，必须采用均流控制策略，即是每个并联模块采用独立的反馈控制，以实现两并联模块电流相等，实现均流。当采用均流控制后两个变换器可等效为图6 所示两个并联的电流源，通过控制，当I1=I2 时，即可避免环流的产生。

图6 采用均流控制后等效电路。

两并联模块的均流控制框图见图7 所示，I_ref为电池给定充放电电流，两路模块并联时，每个模块的电流指令为I_ref 的一半，分别与对应模块的电流反馈(I1_f 或I2_f)形成闭环，采用该控制策略能使两路输出电流完全相等。

图7 电流控制框图。

图8 为采用均流前后的稳态仿真波形(本文电流波形以充电电流为负方向，放电电流为正方向)，图8(a)为两并联桥臂为同一个脉冲，仅L1 电流为闭环控制，因此由于输出阻抗(设定L1 桥臂5mΩ，L2 桥臂8 mΩ)不同，L2 电流与L1 差5 A 左右，输出总电流也差5 A,而图8(b)波形为两并联桥臂独立控制，均流度较好，两桥臂电流波形重合，达到了均流目的。

在本文研制的120 kW 双向DC-DC 变换器中，交错并联的两组变换器即采用相同的电流指令(总电流的一半)，经闭环控制后即可实现均流输出。当系统运行于充、放电状态时，两组变换器电流给定值相同;当工作于恒压浮充状态时，电流指令由电池电压环决定，电压环调节器输出一分为二作为两组变换器电流环指令;当系统运行于孤岛模式时，电流指令由直流母线电压环决定，同样将电压环调节器输出一分为二作为两组变换器的电流指令以实现均流控制。

图8 采用均流控制措施前后的波形对比。

2.2 Boost 空载稳压控制

在本文研制的电池储能系统中，要求在电网断电时，图1 所示变换器能做孤岛运行，向关键负荷供电，即双向DC-DC 做Boost 模式运行，维持直流母线电压的恒定，而后级PWM 双向并网变换器则做逆变器运行，向关键负荷供电，通常Boost 变换器是不能空载运行的，这主要是因为其升压电感在开关管导通过程中的储能没有释放路径，直流母线端相当于开路，电压将逐渐上升。

对本文研制的双向DC-DC 而言，两个源之间的能量交换是自由的，空载稳压运行时，由于Boost输出电压受控，故可等效为一个电压源，这样电感电流可实现双向流动，不存在传统Boost 变换器空载条件下电感储能没有路径释放的问题。而传统采用二极管自然整流输出作为源也不能实现空载稳压运行。图9 为空载稳压运行时的稳态仿真波形，波形显示在直流母线电压稳压500 V 运行中，电感L1电流是双向流动的。

图9 直流母线电压Vdc 和L1 电流波形。

2.3 两组电池互充放电控制

在本文研制的双向DC-DC 还可以实现两组电池的相互