蓄電池充放電的雙向DC/DC變換器研究

趙敬，李田澤，韓濤，趙云鳳，陳世寶

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

蓄電池充放電的雙向DC/DC變換器研究

趙敬，李田澤，韓濤，趙云鳳，陳世寶

（山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049）

鉛酸蓄電池的充放電過程是影響其使用壽命的重要因素之一，在充放電過程中存在著充電時間長、溫升高、析氣嚴重等問題。針對充電時間長這一問題，分析了能量流動的影響因素，提出了一種新型雙向DC/DC變換器，該變換器采用耐高壓的IGBT器件的橋式電路和零電壓移相控制對蓄電池進行充放電；分析了雙向DC/DC變換器拓撲及其軟開關(guān)特性，并利用Matlab/Simulink進行仿真。結(jié)果表明，采用零電壓相移控制的雙向DC/DC變換器能夠?qū)π铍姵剡M行快速可靠的充放電且能穩(wěn)定輸出電壓，從而為光伏系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，提高蓄電池的使用壽命。

鉛酸蓄電池；雙向DC/DC變換器；軟開關(guān)；充放電；Matlab/Simulink

太陽能是當今發(fā)展速度居第二位的可再生能源，進入21世紀以后，光伏發(fā)電成為我國最有生命力的新能源。目前，我國風能、太陽能等新能源發(fā)電出現(xiàn)不穩(wěn)定性和間歇性的瓶頸在于儲能系統(tǒng)。無論是對用戶側(cè)還是對電網(wǎng)側(cè)，應用儲能技術(shù)都將帶來一定的經(jīng)濟效益。因此，儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用將成為今后的一個重要研究方向[1]。研究雙向DC/DC變換器(BDC)為太陽能光伏發(fā)電蓄電池儲能進行充放電，也成為當今光伏發(fā)電應用領(lǐng)域的研究熱點。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，雙向DC/DC變換器的作用是進行能量調(diào)控，即可以雙向流動，這樣可方便調(diào)節(jié)蓄電池和直流母線之間的能量流動[2]。

電壓源型移相控制的全橋雙向DC變換器發(fā)展較早，優(yōu)點也較多，但是存在循環(huán)能量的問題[3]，這會導致能量損耗和充電時間過長。針對該問題，本文提出一種雙向DC/DC變換器，通過其對蓄電池充電能夠消除開關(guān)過程中的循環(huán)能量，加快充電速度，延長鉛酸蓄電池壽命。

1 雙向DC/DC變換器拓撲分析

由于直流總線電壓和蓄電池組電壓相差較大，容易導致輸出電壓不穩(wěn)，本光伏系統(tǒng)從快速、安全、抗干擾等方面考慮，采用了帶變壓器的雙向DC/DC變換器。該變換器中全橋電路的功率開關(guān)管采用IGBT管，較MOSFET管更適合高壓高速系統(tǒng)的要求，通過調(diào)節(jié)控制信號相位差實現(xiàn)軟開關(guān)。雙向DC/DC變換器主電路如圖1所示。

雙向DC/DC變換器中產(chǎn)生的循環(huán)能量問題一直存在于開關(guān)過程中。由于其在流動過程中產(chǎn)生導通損耗，因此，為提高雙向DC/DC變換器的工作，減小損耗，加快開斷速度和延長蓄電池壽命，需要削減傳遞過程中的循環(huán)能量[4]。本文提出的相移控制能夠?qū)崿F(xiàn)零電壓開通，所謂相移是指當VS1開通時，VS5延長，相角再開通，容易實現(xiàn)軟開關(guān)。在能量傳遞過程中，充放電的能量傳遞一致，只分析電情況即可。它在一個周期內(nèi)有10種開關(guān)狀態(tài)，以下進行半周期開關(guān)過程分析[5]。

圖1 雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)

狀態(tài)1：VS1，VS4開通，這時1給L儲能；經(jīng)變壓器后，VS7，VD8開通。輸入電流1=，輸出電流

狀態(tài)2：初級側(cè)電流保持不變；次級側(cè)關(guān)斷VS7，經(jīng)過一段時間后，VS7徹底關(guān)斷，此時經(jīng)變壓器后的電流經(jīng)過VD5，VD8續(xù)流。

狀態(tài)3：初級側(cè)依然通過VS1，VS4傳遞能量，次級側(cè)通過VD5，VD8流動，此時，在作用下保持不變，

狀態(tài)4：VS1關(guān)斷，流過VS1的電流向VD3轉(zhuǎn)移續(xù)流，直到一段時間后徹底關(guān)斷VS1，此時電流流經(jīng)VD3，VS4流動；次級側(cè)保持不變。

狀態(tài)5：開通VD3和VS4，釋放能量，即把能量傳遞給

經(jīng)過以上分析，在雙向DC/DC變換器的一周期中，初級側(cè)電流1和次級側(cè)電流2都為正值或零?？梢?，能量從輸入側(cè)向輸出側(cè)流動，可以消除循環(huán)能量，達到減小雙向DC/DC變換器損耗的目的，提高蓄電池壽命。

圖2 開關(guān)管控制信號和電感電流波形

2 仿真驗證

目前，由于光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的應用還不成熟，需要用仿真方法對其進行分析。根據(jù)雙向DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)，采用Matlab/Simulink建立了仿真模型。蓄電池的充放電是通過雙向DC/DC變換器的Boost/Buck電路中能量雙向流動來實現(xiàn)的。其中，蓄電池側(cè)的電壓為48 V，直流母線側(cè)上的電壓為400 V，對蓄電池充放電的仿真作如下分析。

2.1 蓄電池充電仿真分析

蓄電池充電仿真模型如圖3所示。其中，采用直流電源DC作為蓄電池電源，為48 V；橋式電路中采用IGBT功率管；隔離型變壓器采用雙繞組變壓器，起到對兩側(cè)電源的緩沖、隔離還有抗干擾的作用；儲能電感作用是儲能和釋能；輸出電容為56 F。為了使電壓能夠穩(wěn)定輸出，本文對IGBT管采用相移控制，并且對四個橋臂用的移相控制，實現(xiàn)零電壓開關(guān)轉(zhuǎn)換。

圖3 蓄電池充電仿真模型

當蓄電池充電時，通過雙向DC/DC變換器對蓄電池進行充電，輸出電壓能夠保持在48 V左右。輸出的電壓波形可以有波動，但是必須保持在直流電壓46～49 V，而在一般情況下，通過雙向DC/DC變換器對蓄電池充電可使充電電壓達到48 V左右，并且可以穩(wěn)定在此電壓上，這樣便能滿足蓄電池的電壓要求。通過相移控制對橋式IGBT管進行控制，可方便控制蓄電池充放電電壓，從而可以使蓄電池充放電實現(xiàn)優(yōu)化管理。仿真模型按照圖1的拓撲結(jié)構(gòu)連接起來，各模塊的參數(shù)按以上進行設(shè)置。蓄電池充電時輸出波形如圖4所示。

圖4 蓄電池充電輸出電壓

由圖4可知，當蓄電池充電時，蓄電池可以通過雙向DC/DC變換器快速充電，且使充電電壓與蓄電池電壓基本保持一致，電壓波動范圍較小，光伏系統(tǒng)可以允許此波動，而且蓄電池的充電電壓在1ms就能達到充電電壓。仿真結(jié)果表明，此模型可以滿足快速充電要求，達到提高蓄電池壽命的目的，并且能夠在緊急情況下保證給負載安全供電，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2 蓄電池放電仿真模型

蓄電池放電仿真模型如圖5所示。放電仿真模型中的模塊與充電仿真模型一樣，只是與充電模式的控制開關(guān)管不同。

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中，按照圖1雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)和移相控制方式連接仿真模型的各模塊。放電過程是通過雙向DC/DC變換器對蓄電池48 V電壓進行放電，其放電電壓能夠達到直流母線400 V的電壓，而且可以穩(wěn)定保持在400 V左右，這樣方便作為后級逆變器的輸入電源，可靠、穩(wěn)定、安全地給光伏系統(tǒng)供電，其輸出波形如圖6所示。

由圖6可知，當蓄電池通過雙向DC/DC變換器放電到直流母線時，輸出的放電電壓能夠穩(wěn)定在直流母線電壓400 V左右，并且可以穩(wěn)定在此電壓。結(jié)果表明，采用相移控制對雙向DC/DC變換器的IGBT管進行控制，不僅很快達到直流母線400 V電壓，而且波動小，減小循環(huán)能量，從而在很大程度上提高了蓄電池的使用壽命。

圖5 蓄電池放電仿真模型

圖6 蓄電池放電時輸出電壓

3 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)雙向DC/DC變換器循環(huán)能量所帶來的充電時間長的問題，提出了一種應用于蓄電池充放電的零電壓移相控制雙向DC/DC變換器，不僅節(jié)約充電時間，而且能夠降低電池充電量的損耗。

分析了移相控制的雙向DC/DC變換器橋式拓撲結(jié)構(gòu)的軟開關(guān)特性，討論了蓄電池通過雙向DC/DC變換器的能量流動，并利用Matlab/Simulink進行充放電仿真。仿真結(jié)果表明，采用零電壓相移控制的雙向DC/DC變換器能夠?qū)π铍姵剡M行快速可靠的充放電且能穩(wěn)定輸出電壓，從而為光伏系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，提高蓄電池的使用壽命。

[1]劉建濤，張建成.儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用分析[J].電網(wǎng)與清潔能源，2011，27：62-65.

[2]RUAN X B,YAN Y G.A novel zero-voltage and zero-currentswitching PWM full-bridge converter using two diode sin serieswith the lagging leg[J].IEEE Trans on Industrial Electronics,2001,48 (4):777-785.

[3]KIM E S,KIM Y H.A ZVZCSPWM FB DC/DC converter using a modified energy-recovery snubber[J].IEEE Transon Industrial Electronics,2002,49(5):1120-1127.

[4]刁卓，孫旭東.全橋雙向DC/DC變換器移相控制策略的改進[J].電力電子技術(shù)，2011，45(9)：72-75.

[5]陳俊.基于雙向DC/DC變換的戶用型光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].無錫：江南大學，2009.

Research ofbattery chargeand dischargebi-directionalDC/DC converter

ZHAO Jing,LITian-ze,HAN Tao,ZHAO Yun-feng,CHEN Shi-bao

The charging and discharging process of lead-acid battery is one of themost im portant factors which affects lead-acid battery's life.There are severalserious issues in the charging and discharging process,for example long charging time,elevated temperature and serious gassing.Focused on the problem of long charging time,a new type ofbi-directionalDC/DC converterwas proposed after analyzing the influencing factors ofenergy flow.The converter realized charging and discharging the battery by bridge circuit and zero voltage phase-shift control of enduring high pressure IGBT devices.The topology and the soft-switching characteristics of bi-directionalDC/DC converterwere analyzed and simulated by Matlab/Simulink.The results show that the bi-directional DC/DC converter controlled by the zero-voltage phase-shift could quickly and reliably charge and discharge the battery and could stabilize output voltage,providing a stable power supp ly to a photovoltaic system and improving the operation life of the battery.

lead-acid battery;bi-directional DC/DC converter;soft-sw itching;charging and discharging; Matlab/Simulink

TM 912

A

1002-087 X(2014)05-0878-03

2013-11-21

國家自然科學基金(50807034)；山東省自然科學基金(ZR2011EEQ025)；山東省淄博市科技發(fā)展資助項目(2011GG01116)

趙敬(1987—)，女，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為太陽能光伏發(fā)電儲能控制。

李田澤，E-m ail：ltzwang@163.com