在電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中,，如果是單組電池，則只需一個(gè)由三相IGBT 全橋電路構(gòu)成的雙向并網(wǎng)變換器(以下簡(jiǎn)稱"PWM 雙向并網(wǎng)變換器")就可以實(shí)現(xiàn)電池的充放電功能,。

在多電池組儲(chǔ)能系統(tǒng)中,，各電池不能并聯(lián)，需獨(dú)立充放電,，僅一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變換器滿足不了系統(tǒng)要求,，雖然也可以每個(gè)電池組均配一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變換器，但這樣的成本較高,、體積較大,，性價(jià)比低。對(duì)于多電池組儲(chǔ)能系統(tǒng),，采用圖1 所示主電路拓?fù)?多個(gè)"DC-DC 變換器"+ 1 個(gè)"PWM 雙向并網(wǎng)變流器")結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔緊湊,、性價(jià)比高，即在電網(wǎng)端配置一個(gè)PWM 雙向并網(wǎng)變流器,，在電池端則根據(jù)電池組數(shù)量,，配置相應(yīng)數(shù)量的DC-DC 變換器，如果將DC-DC 變換器和PWM 雙向并網(wǎng)變流器連接點(diǎn)電壓稱為直流母線電壓(Vdc),，則當(dāng)電池充放電時(shí),，DC-DC 變換器只需根據(jù)系統(tǒng)要求,，往直流母線回饋或吸收能量，而PWM 雙向并網(wǎng)變流器則通過(guò)與電網(wǎng)能量的雙向流動(dòng),，保證直流母線電壓(Vdc)的穩(wěn)定。

圖1 主電路拓?fù)?/p>

DC-DC 變換器拓?fù)湟灿卸喾N類型,，文獻(xiàn)[3]介紹了一種多重化雙向DC/DC 變換器,，文獻(xiàn)[4]也介紹了圖2 所示雙向雙全控橋DC/DC 變換器，該變換器的特點(diǎn)是電池和直流母線隔離,、兩邊均為單相全控橋變換器,、可以工作在零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)模式，但該變換器的缺點(diǎn)是開(kāi)關(guān)器件多,、驅(qū)動(dòng)及控制電路復(fù)雜,、受高頻變壓器的限制，其變換器容量不能做得太大,，僅適用中小功率系統(tǒng),。

圖2 雙向雙全控橋DC/DC 變換器。

文獻(xiàn)[5]詳細(xì)介紹了雙極性控制的全橋SPWM雙向變流器的系統(tǒng)構(gòu)成及原理,，采用單相拓?fù)?，并研制了一臺(tái)1 kW 樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其特點(diǎn)是開(kāi)關(guān)頻率高,，對(duì)電網(wǎng)污染小,。文獻(xiàn)[3-5]共同特點(diǎn)是幾十千瓦以下的中小功率變換器，針對(duì)的也是一組電池的充放電,。對(duì)于100 kW 以上的大功率和多組電池的充放電還需采用更加適用的變換器,。

圖3 所示另一種雙向DC-DC 變換器，當(dāng)電池放電時(shí),，變換器以Boost 模式工作;當(dāng)電池充電時(shí),，變換器以Buck 模式工作。該變換器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,、開(kāi)關(guān)器件數(shù)量少,、損耗小、驅(qū)動(dòng)和控制電路簡(jiǎn)單,、電池側(cè)輸出采用LCL 濾波,，能有效地減小電池端的紋波電壓和紋波電流，該變換器的不足是電池和直流母線不隔離,，共地,。

圖3 雙向DC-DC 變換器。

本文研制的120 kW 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器則采用圖3 所示拓?fù)?。該系統(tǒng)有3 組獨(dú)立電池,，每組電池和變換器直流母線電壓參數(shù)如下：

單組電池額定電壓：DC400 V;

單組電池電壓范圍：DC330~DC460 V;

單組電池最大充電電流：110 A;

單組電池最大放電電流：110 A;

變換器直流母線額定電壓Vdc:DC500 V

為了與其他產(chǎn)品兼容,，本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器采用2 個(gè)三相IGBT 全橋電路(PWM1 和PWM2)構(gòu)成，圖4 所示,，兩個(gè)半橋輸出并聯(lián)作為1 路DC-DC 變換器,，采用該拓?fù)溥€有一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是雙向DC-DC變換器與PWM雙向并網(wǎng)變換器均是采用的三相IGBT 全橋電路，因此二者的IGBT 功率模塊(IGBT,、散熱器,、電容)IGBT的驅(qū)動(dòng)及控制電路均可以借用，減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間,、維護(hù)也比較方便,。

圖4 3 組電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器。

本文研制的120 kW 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向DC-DC 變換器,，在電網(wǎng)斷電時(shí),，還能作為電壓源輸出，即以Boost 模式工作,，輸出電壓Vdc 穩(wěn)定,，后級(jí)PWM 雙向并網(wǎng)變流器則做孤島運(yùn)行，斷開(kāi)KM1,、閉合KM2,保證關(guān)鍵負(fù)荷供電,。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文研制的雙向DC-DC 變換器，其基本工作原理為Buck 和Boost 變換,，當(dāng)電池放電時(shí),，DC-DC變換器以Boost 工作模式運(yùn)行，在電池充電時(shí),，DC-DC 變換器以Buck 工作模式運(yùn)行,，本文不再對(duì)對(duì)Buck 和Boost 工作模式的常規(guī)控制策略進(jìn)行累述，僅對(duì)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中雙向DC-DC 控制器設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的幾個(gè)方面進(jìn)行了分析,。

2.1 均流控制

根據(jù)戴維寧等效電路,，圖4 所示電路單組電池可做如圖5 等效。

圖5 DC-DC 變換器等效電路,。

其中V1,、V2 分別為兩個(gè)并聯(lián)模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)路電壓(橋臂輸出)，Z1,、Z2 為兩個(gè)模塊等效阻抗,，Z3為并聯(lián)接點(diǎn)到電池的阻抗，由于各并聯(lián)模塊銅排的布局,、驅(qū)動(dòng)的死區(qū),、以及IGBT 的開(kāi)通延時(shí)和上升沿等的不同，導(dǎo)致輸出V1≠V2,同理每個(gè)并聯(lián)模塊輸出電纜長(zhǎng)度和電抗器阻抗不同，一般Z1≠Z2,如果不采用均流控制策略,，將導(dǎo)致兩個(gè)模塊輸出電流不一致,，且產(chǎn)生環(huán)流，環(huán)流大小為I=(V1-V2)/(Z1+Z2),。

環(huán)流的存在不僅導(dǎo)致流過(guò)IGBT 的電流增大,，同時(shí)也影響系統(tǒng)效率，為有效抑制環(huán)流,，實(shí)現(xiàn)兩組變換器均等的輸出電流,，必須采用均流控制策略，即是每個(gè)并聯(lián)模塊采用獨(dú)立的反饋控制,，以實(shí)現(xiàn)兩并聯(lián)模塊電流相等，實(shí)現(xiàn)均流,。當(dāng)采用均流控制后兩個(gè)變換器可等效為圖6 所示兩個(gè)并聯(lián)的電流源,，通過(guò)控制，當(dāng)I1=I2 時(shí),，即可避免環(huán)流的產(chǎn)生,。

圖6 采用均流控制后等效電路。

兩并聯(lián)模塊的均流控制框圖見(jiàn)圖7 所示,，I_ref為電池給定充放電電流,，兩路模塊并聯(lián)時(shí)，每個(gè)模塊的電流指令為I_ref 的一半,，分別與對(duì)應(yīng)模塊的電流反饋(I1_f 或I2_f)形成閉環(huán),，采用該控制策略能使兩路輸出電流完全相等。

圖7 電流控制框圖,。

圖8 為采用均流前后的穩(wěn)態(tài)仿真波形(本文電流波形以充電電流為負(fù)方向,，放電電流為正方向)，圖8(a)為兩并聯(lián)橋臂為同一個(gè)脈沖,，僅L1 電流為閉環(huán)控制,，因此由于輸出阻抗(設(shè)定L1 橋臂5mΩ，L2 橋臂8 mΩ)不同,，L2 電流與L1 差5 A 左右,，輸出總電流也差5 A,而圖8(b)波形為兩并聯(lián)橋臂獨(dú)立控制，均流度較好,，兩橋臂電流波形重合,，達(dá)到了均流目的。

在本文研制的120 kW 雙向DC-DC 變換器中,，交錯(cuò)并聯(lián)的兩組變換器即采用相同的電流指令(總電流的一半),，經(jīng)閉環(huán)控制后即可實(shí)現(xiàn)均流輸出。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行于充、放電狀態(tài)時(shí),，兩組變換器電流