大功率双向DC-DC变换器的研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 3.36MB 55 页 15积分
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摘 要
双向 DC-DC 变换器就是电流双象限直流变换器，功率可以在输入端与输出端
之间双向流动。电力电子系统中，需要在直流电源间或直流电源与直流源性负载
间实现双向能量流动时，相对于两台单向 DC-DC 变换器简单反并联连接的方式，
双向 DC-DC 变换器在减小系统体积及成本方面具有很大优势，其尤其适用于大功
率场合。因此，双向 DC-DC 变换器在储能系统、新能源发电、电动汽车、电能质
量调节、分布式发电以及测功系统等领域应用潜力巨大。
本文首先在对比分析各种双向 DC-DC 变换器拓扑的基础上，针对电池储能系
统中对输入电池电流纹波的实际要求，设计了带 LCL 滤波器的双向半桥
Buck/Boost 结构 DC-DC 变换器模块，对其工作原理进行了详细介绍，并以 20kW
功率等级的变换器模块为例介绍了其主电路元器件参数的设计方法。
采用状态空间平均法建立了双向 DC-DC 变换器的数学模型，对其双向功率流
的不同运行状态进行了分析，利用 MATLAB/sisotool 工具箱设计了其小信号控制
器。利用 MATLAB/simulink 进行了仿真验证，仿真结果表明其控制策略的可行性
与正确性。
采用基于外加均流控制器平均电流方法的均流控制技术对变换器功率模块的
并联运行特性进行了理论及仿真分析，为功率等级的扩展提供了理论依据。
最后以 TMS320F2812 为控制核心，以六个双向半桥结构 DC-DC 变换器模块
搭建了 120kW 双向 DC-DC 变换器样机，在此装置上完成了各种工况的相关实验
研究，实验装置运行稳定可靠。实验结果表明该变换器具有良好的双向运行性能，
也进一步验证了该系统控制策略的正确性。
关键词：双向DC-DC LCL滤波器 均流控制
ABSTRACT
With the strategic disposition and significant changes of the new energy industry, as an
efficient bi-directional interface between DC bus and DC energy sources (or DC loads),
high-power, bi-directional DC-DC convertor has wide application prospects in areas
such as electric automobile, distributed generation, energy storage system, power
quality modification, renewable energy generation, motor testing system and so on.
In this thesis, based on contrastive analysis of various bi-directional DC-DC convertor
topologies, a convertor which has a bi-directional half-bridge Buck-Boost structure with
a LCL filter is designed satisfying the actual requirement of battery input current ripples
in battery energy storage system. Accordingly, a detailed introduction on the convertor’s
operating principle is provided. The design methods on the main circuit component
parameters are furthermore produced using a 20kW power level convertor module as an
example.
Furthermore, by using the space vector average method, a mathematical model of the
convertor is built and different operating states of bi-directional power flowing are
analysed. Then, a small-signal controller is designed making use of MATLAB/sisotool
toolbox. Theory simulate verification by the MATLAB/simulink model is conducted
and the simulation results show the feasibility and correctness of the control strategy.
Besides, this paper carries out the theory and simulation analysis on parallel operating
characteristic of power module based on the current sharing control technology which
uses an outer current sharing controller. This provides a theoretical basis for power
level expansion.
Finally, a 120kW convertor which has 6 BDC modules and a TMS320F2812 control
core is built to carry on experiments under every operation environment. The stable and
reliable experiment device works out a result that commendably indicates the well
bi-directional operating capability of the convertor and further verifies the correctness
of the control strategy presents in this dissertation.
Key Word：bi-directional DC-DC converter, LCL, current sharing
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................................................................................1
§1.1 课题的背景及意义 ..........................................................................................1
§1.2 国内外的现状和趋势 ......................................................................................2
§1.3 论文主要研究内容 ..........................................................................................2
第二章 大功率双向 DC-DC 变换器拓扑结构 .............................................................. 4
及其工作原理 ...................................................................................................................4
§2.1 非隔离型拓扑结构 ..........................................................................................4
§2.2 隔离型 BDC 基本拓扑结构 ........................................................................... 6
§2.3 应用于储能系统的拓扑结构选择 ..................................................................8
§2.4 半桥式 BDC 互补 PWM 控制方式工作原理 ..............................................10
§2.5 小结 ................................................................................................................13
第三章 双向半桥式 Buck/Boost 变换器 ......................................................................14
主电路参数设计 .............................................................................................................14
§3.1 120kW 储能系统中 BDC 的性能指标 ..........................................................14
§3.2 滤波器的设计 ................................................................................................15
§3.2.1 LCL 滤波器 ......................................................................................... 15
§3.2.2 滤波器参数设计 .................................................................................16
§3.3 IGBT 的选择 .................................................................................................. 18
§3.4 直流母线电容的确定 ....................................................................................19
§3.5 小结 ................................................................................................................19
第四章 双向半桥式 Buck/Boost 变换器 ......................................................................20
建模及其控制器的设计 .................................................................................................20
§4.1 基于状态空间平均法的数学模型 ................................................................20
§4.2 直流分析 ........................................................................................................23
§4.3 动态小信号分析 ............................................................................................24
§4.4 小信号控制器设计 ........................................................................................27
§4.5 仿真研究 ........................................................................................................30
§4.6 小结 ................................................................................................................32
第五章 模块并联技术研究 ...........................................................................................33
§5.1 并联均流技术 ................................................................................................33
§5.2 外加均流控制器均流法 ................................................................................34
§5.3 仿真研究 ........................................................................................................37
§5.4 小结 ................................................................................................................38
第六章 实验系统设计及研究 .......................................................................................39
§6.1 实验系统总体结构 ........................................................................................39
§6.2 控制硬件设计 ................................................................................................40
§6.3 软件设计 ........................................................................................................41
§6.4 系统试验 ........................................................................................................43
§6.5 小结 ................................................................................................................47
第七章 总结与展望 .......................................................................................................48
参考文献 .........................................................................................................................49
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................52
致 谢 ...............................................................................................................................53
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的背景及意义
所谓双向 DC-DC 变换器就是电流双象限直流变换器，其电路运行在 U-I 平面
的第一、二象限，功率可以在输入端与输出端之间双向流动。电力电子系统中，
需要在直流电源间或直流电源与直流源性负载间实现双向能量流动时，相对于两
台单向 DC-DC 变换器简单反并联连接的方式，双向 DC-DC 变换器在减小系统体
积及成本方面具有很大优势，其尤其适用于大功率场合。因此，双向 DC-DC 变换
器在储能系统、新能源发电、电动汽车、电能质量调节、分布式发电以及测功系
统等领域应用潜力巨大[1]。
（1）电动汽车中的应用[2,3]
电动汽车是未来战略性新兴产业，而双向 DC-DC 变换器则是推进其发展的关
键技术之一。以混合动力燃料电池车为例，双向 DC-DC 变换器通过控制超级电容
和动力蓄电池的功率流，在电动车加速或爬坡时短时内释放超级电容的能量以提
供电机所需峰值功率；在刹车或减速时迅速将能量回收，这样其能源利用效率得
到有效提高。
（2）储能系统中的应用[4,5]
通过新型储能系统的优化配置及控制，支持大规模可再生能源的接入,有效兼
容间歇性的集中与分散式发电,是智能电网适应未来经济社会发展和新能源革命的
一个先决条件，而双向 DC-DC 变换器则是直流源并网系统的重要组成部分。以大
容量电池储能系统为例，双向 DC-DC 变换器作为电池组和直流母线之间的接口，
能够拓宽电压适用范围，避免电池组间环流，实现多路电池组的独立控制，并可
为不同储能介质的接入提供条件。
（3）UPS 中的应用[6,7]
双向 DC-DC 变换器可灵活改变 UPS 输入直流电压等级，从而丰富蓄电池的
选配方式；便于优化充、放电曲线，提高充、放电效率和电池寿命；可使直流母
线和电池间电气隔离，以提高安全性。典型应用包括大功率应急或后备电源等。
（4）测功系统中的应用[8]
测功系统中在直流母线间串接双向 DC-DC，将负载电机的直流母线和被测电
机的直流母线分离，可根据被测电机电压等级调节被测电机控制器的直流侧电压
值，从而提高测功系统的使用效率和应用范围。由于电压范围提高，测量不同等
级的电机不用更换系统负载电机和 AC-DC 变换器，节约成本，大幅提高了测功机
的性价比。
大功率双向 DC-DC 变换器的研究
2
随着新能源产业的战略部署和大规模变革，大功率双向 DC-DC 必然将得到更
加广泛的关注和应用。
§1.2 国内外的现状和趋势
双向 DC-DC 变换器的研究主要包括电路拓扑和控制策略两个方面。
类似于单向 DC-DC 变换器，双向 DC-DC 变换器也可分成非隔离型拓扑结构
和隔离型拓扑结构两类。
隔离型双向 DC-DC 变换器需要设计高频变压器，结构较复杂。由于目前 IGBT
的开关频率不高且开关损耗大，隔离型双向 DC-DC 变换器中开关器件一般选择
MOSFET，故其功率受到限制。但因结构灵活，可通过多种控制策略丰富其功能，
隔离型双向 DC-DC 变换器拓扑得到了国内外学者的深入研究，其中最受关注的是
隔离型桥式双向 DC-DC 变换器拓扑，其可利用变压器漏感实现 IGBT 的零电压开
通关断（ZVS），滤波电路设计简单方便且动态性能好，适合较大功率场合。
非隔离型拓扑结构简单，电路中所用的元器件数量和种类接近单向 DC-DC 变
换器。目前国内外已经有相关研究将非隔离型 DC-DC 变换器应用于电池充、放电
领域，如清华大学汽车安全与能源节约国家重点实验室在对燃料电池储能系统的
研究中，得到了燃料电池放电 U-I 特性曲线在线性和非线性情况下，双向半桥式
DC-DC 变换器 Boost 运行时的功率传输特性[9]；法国贝尔福电力电子实验中心将
双向半桥式 DC-DC 拓扑和隔离型全桥拓扑应用于超级电容充、放电实验，通过实
验比较两者在超级电容系统中的充、放电特性[10]，证明隔离型全桥拓扑可实现双
向升、降压，在电压变换方面更加灵活，但其功率器件约为半桥拓扑两倍，双向
半桥式 DC-DC 变换器虽功能较少，但其结构简单，成本低，且效率更高。
传统双向 DC-DC 变换器的控制通常通过模拟电子电路系统实现，如通过模拟
电路实现的经典 PID 控制等。随着数字控制技术和现代控制理论研究的发展，双
向DC-DC 变换器的控制技术逐渐融入现代控制技术中的一些理论和方法，如非线
性控制[12]、状态反馈控制[11]、自适应控制[13]、函数控制[15]、H
∞
控制[16]、人工智
能控制[17]以及滑模变结构控制[14]等。不过，上述相关研究工作目前仅通过理论分
析和仿真研究的验证，缺乏基于实际系统的应用案例，因此，现代控制理论的最
新研究成果如何应用于实际系统的设计是双向 DC-DC 变换器控制系统设计的关键
问题之一。
§1.3 论文主要研究内容
本课题来源于许继集团“120kW 电池储能系统双向 PCS 的研制”，项目要求
为磷酸铁锂电池组提供并网装置及相应的控制技术，以满足储能电池并网的要求。
本课题主要以 PCS（Power Converter Subsystem，功率转换子系统）中双向 DC-DC
摘要：

摘要双向DC-DC变换器就是电流双象限直流变换器，功率可以在输入端与输出端之间双向流动。电力电子系统中，需要在直流电源间或直流电源与直流源性负载间实现双向能量流动时，相对于两台单向DC-DC变换器简单反并联连接的方式，双向DC-DC变换器在减小系统体积及成本方面具有很大优势，其尤其适用于大功率场合。因此，双向DC-DC变换器在储能系统、新能源发电、电动汽车、电能质量调节、分布式发电以及测功系统等领域应用潜力巨大。本文首先在对比分析各种双向DC-DC变换器拓扑的基础上，针对电池储能系统中对输入电池电流纹波的实际要求，设计了带LCL滤波器的双向半桥Buck/Boost结构DC-DC变换器模块，对其...

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