基于Simulink的三相交錯式DC/DC的設(shè)計及仿真

凌雷鳴，劉培哲，龐玲玉，陶　成

(1.江蘇鎮(zhèn)安電力設(shè)備有限公司，江蘇　鎮(zhèn)江　212000；2.江蘇鎮(zhèn)安欣潤電力科技有限公司，江蘇　南京　210000)

目前，圍繞以“綠色能源代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源”的方針政策，在全國各地建立了眾多的分布式電站。在分布式電站中增加儲能裝置成為了保證電力系統(tǒng)運行安全可靠的重要手段，同時在多機并網(wǎng)以及平滑功率波動等方面，儲能裝置也發(fā)揮著極為重要的作用。近年來國內(nèi)外專家就雙向變流器的拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略以及運行模式進行了大量的分析研究[1]。以圖1為系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的PCS為例，著重對多重化DC/DC的控制策略、電壓電流雙閉環(huán)PI控制算法及參數(shù)設(shè)計等進行詳細說明并對整個系統(tǒng)進行Simulink仿真。

1　三相DC/DC交錯并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)

在對雙向DC/DC進行設(shè)計的過程中，為減小電流紋波，通常會選用較大的電抗器，這就直接導(dǎo)致了電抗器體積和重量的增加，同時也增加了設(shè)備成本。采用交錯并聯(lián)的方式，可以使得各相的電流紋波互相疊加，從而降低總的紋波電流，也就是說，在總紋波電流不變的情況下，采用交錯并聯(lián)能有效減小電抗器參數(shù)，即減小了電抗器體積及重量[2]。交錯并聯(lián)DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　雙向DC/DC控制器信號的數(shù)學(xué)模型

由圖2可見，采用交錯并聯(lián)的DC/DC可以看成是三個單相的DC/DC疊加所得，相間控制信號錯開120°，于是可以按照單相DC/DC對控制器的參數(shù)進行設(shè)計[3]。通過查閱文獻[4]可知DC/DC的小信號模型如下：

(1)

其中vC2為電池電壓的波動部分，U2為電池電壓的直流部分，Rs為電池內(nèi)阻對式1進行拉氏變換，可以得到電感電流iL和低壓側(cè)電壓vC2對占空比d的傳遞函數(shù)如式(2)。

(2)

參考式(2)對控制器進行參數(shù)設(shè)置，采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，控制原理如圖2所示。

其中，Vref與Iref分別電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的給定值，Gcv(s)和Gci(s)分別為電壓環(huán)和電流環(huán)PI控制器的傳遞函數(shù)，Hv(s)和Hi(s)分別為電壓和電流負反饋的傳遞函數(shù)，GPWM(s)為PWM調(diào)節(jié)器，Gid(s)為電感電流iL對占空比d的傳遞函數(shù)，Z(s)為電感電流iL到輸出電壓的傳遞函數(shù)。儲能系統(tǒng)在恒定電流運行模式下僅有電流內(nèi)環(huán)，當(dāng)處于恒壓充電時才引入電壓外環(huán)。

2.1　恒流模式控制器設(shè)計及仿真

儲能系統(tǒng)恒流運行模式包括恒流充電和恒流放電，其系統(tǒng)框圖如圖3所示。

(3)

在雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中電流內(nèi)環(huán)的響應(yīng)速度直接影響了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，因此設(shè)計電流控制器的穿越頻率為開關(guān)頻率的1/10[5]，即ωi=0.64 kHz，相位裕度取86°，應(yīng)用Matlab，對系統(tǒng)傳函進行設(shè)計得到電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)如下：

(4)

在Matlab中搭建Simulink仿真模型，對電流環(huán)參數(shù)進行驗證，在t=0時刻電流為0 A；在t=0.5時刻電流為250 A，其仿真結(jié)果見圖4。

2.2　恒壓模式控制器設(shè)計及仿真

在恒流模式的基礎(chǔ)上增加一電壓反饋回路，恒壓模式的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

(5)

電感電流到電容電壓的傳遞函數(shù)為：

(6)

無電壓外環(huán)控制器時系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(7)

加入電壓外環(huán)控制器的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(8)

加入電壓外環(huán)PI控制器后，設(shè)定其開環(huán)的截止頻率為電流內(nèi)環(huán)的1/20，即ωv=32 Hz，相位欲度為95°，應(yīng)用Matlab，對系統(tǒng)傳函進行設(shè)計得到電壓外環(huán)的PI參數(shù)如下：

(9)

在Matlab中搭建充電模式下的Simulink仿真模型，對電壓環(huán)參數(shù)進行驗證，在0.5s時，電壓躍變?yōu)?60 V，其仿真結(jié)果見圖6。

在Matlab中搭建放電模式下的Simulink仿真模型，對電壓環(huán)參數(shù)進行驗證，在0.3 s時，電壓躍變?yōu)?50 V，在0.5 s時，突加負載，其仿真結(jié)果見圖7。

3　結(jié)束語

對儲能系統(tǒng)中三相交錯式并聯(lián)DC/DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究，對雙閉環(huán)控制器參數(shù)進行了設(shè)定，并對儲能系統(tǒng)在恒流及恒壓工作模式下進行了Matlab/Simulink仿真，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定并具有較好的響應(yīng)特性。充電時，根據(jù)SOC決定是恒流充電還是恒壓充電，一般SOC小于80%時，恒流充電；大于80%時，恒壓充電；放電時，保持高壓側(cè)電壓恒定，恒壓放電。分布式電站中，要求DC/DC具有雙向變換的功能，并要求其具有很好的穩(wěn)定性及快速響應(yīng)，從圖9、圖10的仿真結(jié)果可以看出本設(shè)計滿足微電網(wǎng)中DC/DC的設(shè)計要求。

參考文獻：

[1]趙慧杰.一種新型單電源級聯(lián)多電平變流器的控制策略研究[D].浙江:浙江大學(xué),2007.

[2]王曉琴,張武.交錯并聯(lián)在低壓大電流開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程.2016,(14):184-185.

[3]王玉斌.單相并網(wǎng)逆變器前級交錯并聯(lián)DC/DC變換器的研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2012,(12):66-71.

[4]汪銘.用于儲能系統(tǒng)的多重化雙向DC/DC變換器的研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2014.

[5]鄭喻,牛歡歡,付登昊.基于比例諧振控制器的逆變控制系統(tǒng)研究[J].電氣開關(guān),2015,(5):45-47.