一種新型DC/DC變換器的設計

摘要：基于全釩液流電池(VRB)并網與離網運行的需要，設計了一種無源吸收的DC/DC變換器，避免了電路諧振對電池端的影響，并抑制了開關器件的開關電壓尖峰。詳細分析了電路工作原理，并設計了電路電流內環(huán)和電壓外環(huán)控制器的參數。實驗結果證明了無源吸收的DC/DC變換器設計的正確性。

1 引言

VRB用于電力存儲時，電池側電壓較低，接入電網運行時，必須通過DC/DC變換器將直流儲能模塊與微電源并接在電力電子接口設備的直流母線側，并通過此接口設備實現(xiàn)微電源及儲能模塊與電網的能量變換和控制。文獻介紹了一種移相全橋DC/DC電路拓撲，但存在不足。與推挽全橋電路工作原理類似，硬開關脈寬調制(PWM)控制下，蓄電池直接與全橋DC/DC變換器連接，由于DC/DC變換器中存在變壓器漏感，會引起開關管開關電壓尖峰，且電感與電容的諧振會對蓄電池側的電壓產生干擾，嚴重影響蓄電池的壽命。

在此基于硬開關PWM控制下的全橋DC/DC電路拓撲，設計了一種應用于VRB并網系統(tǒng)的大功率DC/DC變換器，并進行了實驗驗證。

2 系統(tǒng)拓撲

2.1 主電路拓撲

圖1為大功率VRB并網系統(tǒng)主電路拓撲，整個并網系統(tǒng)采用兩級控制，第1級采用全橋DC/DC電路，對蓄電池側電壓進行升壓，并給直流負載供電，第2級采用單相逆變器，給交流負載供電。Km1，Km2為接觸器，用于選擇交、直流負載。

電路中Llk為串聯(lián)電感與高頻變壓器初級漏感之和，高頻變壓器次級采用二極管整流，電感L、電容C濾波的方式得到穩(wěn)定的電壓源。利用穩(wěn)定的直流電壓源，可實現(xiàn)蓄電池的并網運行，控制逆變器的并網電流即可有效控制蓄電池的并網功率。電路中，Lc，Cc，VDc，Rs構成了一個無源吸收的網絡，可有效避免DC/DC變換器的諧振對蓄電池側的影響，并抑制了開關器件的開關電壓尖峰。

2.2 系統(tǒng)工作原理

圖2為大功率VRB DC/DC變換器主電路工作原理，整個開關過程有14個階段，由于對稱性，僅需考慮7個開關階段，假設所有電流變化階段都是線性的。電路采用硬開關PWM控制方式，控制開關管的導通占空比d，即可控制電路輸出。

主電路輸入電壓Uin=45～60 V，變壓器變比n=1：10，變壓器初級電感Llk=15μH，Lc=1.5μH，開關頻率fs=20 kHz，Cc=10μF，Rs=40 Ω，輸出濾波電感L=550μH，C=2.2 mF。

3 全釩液流電池

3.1 電池等效電路

圖3為VRB等效電路模型，用受控電壓源模擬堆棧電壓Usta，受荷電狀態(tài)(SOC)和電池單體電壓影響，泵損被等效為受控電流源，其數值與電池堆棧電流Ista和SOC有關，VRB等效內阻損耗表示為Rrea和Rres，VRB等效外部寄生損耗表示為Rfix和泵損Ipum，VRB動態(tài)響應能力用電極電容Cele表示。

3.2 電池仿真模型

根據電池等效電路模型和方程式可建立VRB仿真模型，其功率為5 kW，由39個電池單體組成，電池內部損耗為15%，其中Prea為9%，Pres為6%，雜散損耗為6%，寄生損耗為2%，泵損為4%。電池靜置時，端電壓為42 V，電流為112 A。

根據式(1)計算的參數和VRB的內部關系，即可搭建VRB的仿真模型。

4 控制器參數設計

4.1 小信號建模

可將電路等效成一個Buck電路，開關管V的開關周期為T，占空比do=d。V導通時，Ui加到負載回路上，Ui=2nUin;V斷開時，二極管VD進行續(xù)流，電路的控制結構如圖4所示。

通過其小信號模型，推導出其傳遞函數?？刂?/p>

圖5為5 kW VRB DC/DC變換器控制框圖。

4.2 電流內環(huán)、電壓外環(huán)參數設計

未加控制器時，電流內環(huán)開環(huán)傳遞函數為：

Gid(s)=(0.68s+12.5)/(3.672x10-7s2+1.495x10-4s+1) (4)

加入電流內環(huán)控制器Gi(s)=(Kps+Ki)/s，選擇ωm=600 rad·s-1，則-20lgKp=L(ωc)，Ki=Kpωm，故Kp=0.008，Ki=4.8，圖6a為電流內環(huán)波特圖，校正前截止頻率1.85x106 rad·s-1，相角裕度90°，校正后截止頻率降至設定頻率7.83x103rad·s-1，相角裕度84.3°。加入電流內環(huán)控制器后電壓外環(huán)開環(huán)傳遞函數為：

Gud(s)=(5.44×10-3s2+3.854s+69)/(3.672x10-7s3+5.59x10-3s2+4.854s+69) (5)

加入電壓外環(huán)控制器Gu(s)=(Kps+Ki)/s，選擇ωm=100 rad·s-1，則Kp=0.93，Ki=93，圖6b為電壓外環(huán)波特圖。校正后其截止頻率為1.31x103rad·s-1，相角裕度為91.4°，系統(tǒng)相角、幅值裕度都得到提升，穩(wěn)定性得到保障。

5 實驗

基于5 kW的VRB反應堆，電池由36個單體組成，搭建了5 kW VRB放電系統(tǒng)的實驗平臺，實驗參數與上文一致。圖7示出實驗波形。

由圖7c可見，無源吸收網絡保證了電池側電壓不受后級電路影響，從而保證電路的正常工作。

6 結論

設計了一種應用于全釩液流電池并網系統(tǒng)的大功率DC/DC變換器，有效避免了DC/DC變換器的諧振對蓄電池側的影響，并抑制了開關器件的開關電壓尖峰，通過實驗結果驗證了其正確性。