电池储能系统双向DC-DC变换器设计之均流控制

在昨天的文章中，我们为大家分享了一种多电池组储能系统适用的DC-DC变换器设计方案，并针对这一DC-DC变换器方案中的设计原理进行了详细介绍。在今天的方案分享中，我们将会继续就这一设计方案的均流控制系统展开详细分析，下面就让我们一起来看一下这种新型变换器的均流控制电路是如何设计的吧。

在这一双向型的DC-DC变换器设计方案中，这一新型变换器的基本工作原理为Buck和Boost变换，其设计电路图如下图图1所示。可以看到，在这一系统中，当电池放电时，DC-DC变换器以Boost工作模式运行，在电池充电时，DC-DC变换器以Buck工作模式运行，在这里就不再对对Buck和Boost工作模式的常规控制策略进行额外描述了。根据戴维宁等效电路的设计原理，图1所示电路单组电池可做如图2等效。

图1 三组电池储能系统双向DC-DC变换器

图2 DC-DC变换器等效电路

在上图图2所示的这种单组电池系统适用的双向DC-DC变换器等效电路图中，参数V1和V2分别是两个并联模块对应的开路电压，采用桥臂输出模式。Z1、Z2为两个模块等效阻抗，Z3为并联接点到电池的阻抗。由于各并联模块铜排的布局、驱动的死区、以及IGBT的开通延时和上升沿等的不同，导致输出V1不等于V2，同理每个并联模块输出电缆长度和电抗器阻抗不同，一般Z1不等于Z2。此时，如果不采用均流控制策略，那么将会导致两个模块输出电流不一致，且产生环流，环流大小可计算为I=（V1-V2）/（Z1+Z2）。

环流问题的存在，对于我们所设计的这一双向DC-DC变换器均流系统而言是一个非常大的阻碍，这一问题不仅会导致流过IGBT的电流增大，同时也影响系统效率。为了能够有效抑制环流，实现两组变换器均等的输出电流，必须采用均流控制策略，即是每个并联模块采用独立的反馈控制，以实现两并联模块电流相等，实现均流。当采用均流控制后两个变换器可等效为下图图3所示两个并联的电流源，通过控制，当I1=I2时，即可避免环流的产生。

图3 采用均流控制后等效电路

在完成了并联模块的设计后，我们所完成的并联模块的均流控制框图如下图图4所示，在图4中，参数I_ref为电池给定充放电电流。可以看到，当两路模块并联时，每个模块的电流指令为I_ref的一半，分别与对应模块的电流反馈（I1_f或I2_f）形成闭环，采用该控制策略能使两路输出电流完全相等。

图4 电流控制框图

那么，在采用了这种并联模块的控制策略后，两路输出电流的控制效果究竟如何呢？下图中，图5是，采用均流前后的稳态仿真波形。本文中我们所测试的电流波形以充电电流为负方向，放电电流为正方向。其中，图5（a）为两并联桥臂为同一个脉冲，仅L1电流为闭环控制，因此由于输出阻抗（这里设定L1桥臂5mΩ，L2桥臂8mΩ）不同，L2电流与L1差5A左右，输出总电流也差5A，而图5（b）中，波形为两并联桥臂独立控制，均流度较好，两桥臂电流波形重合，达到了均流目的。

（a）

（b）
图5 采用均流控制措施前后的波形对比

在方案中，在我们所设计的这种120kW、适用于多电池组蓄能系统的双向型DC-DC变换器中，交错并联的两组变换器即采用相同的电流指令（总电流的一半），经闭环控制后能够实现均流输出。当蓄能系统运行于充、放电状态时，两组变换器电流给定值相同。当工作于恒压浮充状态时，电流指令由电池电压环决定，电压环调节器输出一分为二作为两组变换器电流环指令。当系统运行于孤岛模式时，电流指令由直流母线电压环决定，同样将电压环调节器输出一分为二作为两组变换器的电流指令以实现均流控制。