电池储能系统的双向DC/DC变换器控制策略研究

0 引 言

传统的对蓄电池进行充放电控制主要由两个分开的单向变换电路，双向全桥DC/DC变换器(BDC)的出现不仅解决了单向变换器制作成本、体积等问题，而且还在不改变两侧电压极性的情况下实现能量的双向流动，采用隔离式变换器在安全性能也有了提高，避免蓄电池组在电网或变换器故障时受到严重的干扰，在需要电池储能系统的应用场合如不间断电源(UPS)、电动汽车等中得到广泛的应用。

如今，多数用电设备需电网提供高质量电能，解决连接电网和蓄电池之间的BDC控制策略具有重大意义。对BDC控制策略的研究热点集中在移相控制[1-4]，文献[5-6]都采用双重移相控制方式，但他们的移相方式不一样，文献[5]采用同时调节全桥间的外移相角及电网侧全桥内的内移相角，优化移相角控制算法减少双重移相(DPS)控制下电路中的回流功率，文献[6]采用同时控制两全桥内的移相角，通过抑制尖峰传输电流在高频变压器中流动来降低变换器中的开关损耗和磁滞损耗，两种双重移相方式相对传统的单移相(SPS)控制功率调节更灵活。本文在文献[5]的基础上，分析并简化DPS控制，在抑制电路中回流功率的基础上，分析双移相角(D1、D2)的选取算法，实现双有源端被控制量的稳定，并进行实验验证。

1 双向全桥DC/DC变换器的工作原理

图1为BDC典型的拓扑结构，图1中T为高频变压器；L为主电感；C1、C2为两侧有源端的缓冲电容；及变压器两端共8个MOS组成的有源全桥。下面以功率由电网U1侧传输到蓄电池UB侧进行研究。

图1 双向全桥 DC/DC变换器

Fig.1 Bidirectional full bridge DC/DC converter

图2为DPS控制下变换器工作波形。图2中：U1和UB分别为变换器两端电压；uh1、uh2分别为电感两端的逆变电压；由于电路工作的对称性，以半个开关周期进行研究，D1表示U1侧全桥内对角开关管之间内移相角；D2表示两个全桥之间对应开关管的外移相角，其中0≤ D1 ≤D2≤1。

图2 变换器的工作波形图

Fig.2 Working waveform diagram of converter

由图2可知，在BDC稳定工作过程中，(t1-t, 1)和(t4-t, 4)时间段内，由于电感电流iL与U1侧逆变电压uh1相位相反，导致储存在电感中的能量返回电源侧，因此，在保证输出功率不变的情况下，必须增大输入，称在这段时间内电感产生的能量为回流功率，相对传统的SPS控制增加了一个自由度，使高频电流的控制更加灵活。

2 双向全桥DC/DC变换器功率特性分析

由图2可知，在一个开关周期内，变换器的工作过程可分为8种模式。在每个模式内电感电流iL都存在如下关系：

(1)

变换器正常工作时，由电感电流iL在一个开关周期内的对称性有：

iL(t0)=-iL(t3)

(2)

本文以半个开关周期内电感电流表达式进行推导，联合式(1)、式(2)计算可得DPS控制下前4种模式下的电感电流表达式。

iL=

(3)

式中k为电压调节比，k=U1/nUB；f为电路的开关频率，f=1/2Ths。忽略器件损耗，理想情况下，得到BDC的传输功率与回流功率表达式为：

(4)

(5)

为了分析简便，把半个开关周期内变换器的传输功率与回流功率标幺化，取SPS控制下最大的传输功率PN作为基准值，有：

(6)

用PDPS、QDPS表示pDPS、qDPS在基准值PN下标幺值，为：

(7)

由公式(7)可以得到DPS控制下的传输功率的二维仿真图(0≤ D1 ≤D2≤1)，在D1=0时，公式(7)变为传统SPS控制下的传输功率，两种控制方式下的仿真图如图3所示。

图3 单双移相的传输功率曲线图

Fig.3 Transmission power curve of single and

double phase shift

由图3可知，SPS、DPS控制方式下，传输功率随移相角D2先增大后减小，在0≤ D2≤0.5范围内，它们的最大传输功率相等，但DPS控制比SPS控制多了一个内移相D1，传输功率的调节范围变大，灵活性增强。

3 双向全桥DC/DC变换器控制策略

3.1 内移相D1控制算法

为比较DPS与SPS控制中的回流功率问题，设两种控制下的传输功率相等，即p=pSPS=pDPS，由公式(7)中pDPS表达式可得：

(8)

将公式(8)带入公式(7)中的qDPS表达式得qDPS关于p的表达式：

(9)

以最小回流功率为目标，对(9)式以D1为自变量进行求导，有：

(10)

以0≤ D1 ≤D2≤1条件，由式(7)到式(10)可以求出不同的k，p范围内最小回流功率值对应的内移相角。图4为最小回流功率在DPS、SPS控制下随变量k，p变化的曲线图。

图4 最小回流功率曲线图

Fig.4 Minimum backflow power curve

由图4知，DPS控制下的最小回流功率比SPS控制有着明显的优势，尤其在变换器处于轻载或电压调制比较大的情况下，优势更加明显，带最大负载时，两种移相控制下的最小回流功率相等。因此，本文通过求取k，p的不同分布范围内的最小回流功率对应的内移相D1来控制PWM脉宽调制。

3.2 BDC优化控制策略

为控制蓄电池侧或电网端电压、电流的稳定，对两侧有源端均采用双闭环反馈控制，对蓄电池采用二阶段充电法，充电模式的切换通过实时监测蓄电池的荷电状态(SOC)，先SPS控制通过双闭环反馈得到移相角D2，使输出电压达到给定值，然后采样所需的电压、电流通过D1控制算法计算其值并实时调节D2一同输入到PWM脉宽调制器中产生八路驱动信号，在最优回流功率控制的前提下，实现传输功率大小和方向的控制。同理，在蓄电池系统对电网供电时，对直流母线电压控制[7-9]。最终实现功率的双向流动及双向电压、电流的稳定。其控制策略如图5所示。

图5中，分别为蓄电池恒压和恒流充电时的参考电压、电流；UB、iB分别为蓄电池端的采样电压和电流；U1ref为电网端的基准电压，U1为电网端采样电压。

图5 BDC控制策略

Fig.5 Control strategy of BDC

4 实验验证

为验证移相控制算法用于电池储能系统的双向全桥DC/DC变换器中的有效性，用国外某公司生产的型号为TMS320F28335的DSP芯片作为主控制器搭建了小功率的实验样机，其他元件参数如表1所示。

表1 系统的主要参数

Tab.1 Main parameters of the system

实验样机如图6所示。

图6 实验样机

Fig.6 Experimental prototype

图7是在蓄电池充电状态下，输入电压30 V，闭环条件下输出8 V，在输出功率相等的情况下，双向全桥DC/DC变换器在DPS控制下原边逆变侧uh1输出电压及电感电流iL波形。

由图7可以看出两种移相控制下，原边全桥逆变侧输出同频的2电平和3电平的电压，在不同的工作模式下，电感电流以不同的斜率线性变化。同时采用优化后的DPS，几乎消除了iL和uh1对应相位相反的时间段，抑制了电路中的回流功率。

图7 逆变电压及电感电流实验波形

Fig.7 Experimental waveforms of uh1and iL

图8为在保证输出功率不变的情况下，逐渐增大输入电压，单、双移相控制下的功率因数变化曲线。DPS控制方式明显优于SPS控制，且随着输入电压U1的增大优势更加明显，验证了前面的理论分析的正确性。

图8 功率因数变化曲线

Fig.8 Power factor curve

图9为MOS管S4开通实验波形，UGS表示开关管S4的驱动信号，IDS为开关管S4的工作电流。在t=t1时刻，MOS管S3关闭，电感电流iL<0，电流通过Ds1、Ds4二极管进行续流。因此采用优化之后的DPS几乎消除了开关管S4开通时的缓冲损耗[10-11]。

图9 MOS管S4实验波形

Fig.9 Experimental waveform of MOS tube S4

5 结束语

提出一种基于DPS控制的电池储能系统的双向全桥DC/DC变换器，相比SPS控制加大了功率调节的灵活性，推导并简化的移相控制算法有效抑制电路中回流功率的影响，且证明了移相控制利于软开关的实现，提高了系统的传输效率，搭建的小功率实验样机，证明了所提出控制策略的正确性。