面向蓄电池储能的双向AC-DC系统设计

杨玉岗，杨 威

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

面向蓄电池储能的双向AC-DC系统设计

杨玉岗，杨 威

(辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105)

研究了面向蓄电池储能的双向AC-DC装置，给出了主电路的拓扑结构，该结构由AC-DC和DC-DC两部分组成，且有相互独立的控制环节，实现了电网侧与蓄电池侧控制系统的完全解耦。在此基础上分析其双向变流原理，并给出系统在蓄电池充电模式和供电模式下的控制框图。仿真与实验结果表明，电网侧电流正弦化及实现单位功率因数整流，在蓄电池供电时，系统输出标准正弦电压，且动态性能良好。

AC-DC；DC-DC；双向变流；解耦

随着电动汽车、不间断电源、太阳能发电等行业的不断发展，蓄电池的充电与供电已经逐渐成为电力电子领域的研究热点之一，而无论是蓄电池的充电还是供电，都围绕着蓄电池与电网或负载之间的变流器进行研究，以实现能量的双向流动。从电路的结构来看，传统的变流器由分开的充电装置和供电装置来分别完成蓄电池的充电过程和供电过程，就单个电路环节而言管理起来简单，但是对整体而言，增加了系统的模块数量和控制难度，降低了系统的功率因数，且对电网的污染较大[1-2]。本文给出具有解耦特性的双向AC-DC控制装置，将蓄电池的充电和供电电路集于一体，通过软件来控制运行方式。该装置减少了模块数量，实现单位功率因数整流，提高了整体效率和动态性能，对电网而言也是一个“绿色”用户，较传统的变流器具有更大的优越性。

1 双向AC-DC拓扑结构分析

双向AC-DC拓扑结构如图1所示，系统主要由三个H桥H1、H2、H3，工频电感，高频电感，电容1、2、3，变压器和蓄电池构成。图中是直流母线电压，是对进行正弦脉宽调制后产生的交流电压，和是逆变器H2、H3产生的占空比为50%的方波电压，是流进电感的电流，是蓄电池电压，是蓄电池电流。该系统共有两种工作模式：一种为蓄电池充电模式，、与电网相接，此时为电网电压，为电网电流，能量从侧传到蓄电池侧，给蓄电池充电；另一种为蓄电池供电模式，、与用电负载相接，此时为系统输出电压，为系统输出电流，整个系统反向运行，能量从蓄电池侧传到侧，供负载使用。当系统处在充电模式时，全桥H1工作在整流模式(AC-DC)，H2和H3工作在正向DC-DC模式，即将直流母线侧高压直流变成低压直流给蓄电池充电，整个系统处在AC-DC-DC工作状态。当系统处在蓄电池供电模式时，H2和H3工作在反向DC-DC模式，即将蓄电池侧的低压直流变成高压直流，H1工作在逆变模式 (DC-AC)，整个系统处在DC-DC-AC工作状态。

图1 双向AC-DC拓扑结构图

2 工作原理分析

2.1 整流工作原理

当全桥H1工作在整流模式时，电网侧AC-DC变流环节的等效电路图如图2所示。图中分别为电网电压电感电压交流侧电压电网输入电流的基波分量。

图2 电网侧等效电路图

在稳态条件下，忽略电网侧电压的谐波分量，有：

图3 电网侧能量流动向量图

2.2 双向DC-DC工作原理

在双向DC-DC工作过程中，两个全桥H2、H3的开关频率相同，且占空比都是50%，二者都运行在普通逆变状态。若忽略开关损耗，将电路折合到直流母线侧，变压器取T型等效电路，忽略励磁回路的影响，得到的DC-DC等效电路如图4所示。

图4 双向DC-DC等效电路

2.3 逆变工作原理

当全桥H1工作在SPWM逆变模式时，根据面积等效原理，将正弦波用等幅而不等宽方波来代替，如图5所示。只要控制各脉冲的宽度，就可以对正弦波的幅值、相位和频率进行控制[1]。

图5 SPWM波等效正弦波

3 双向AC-DC控制策略

根据上述的分析，当系统处在蓄电池充电模式时，L、N接入电网。H1工作在可控整流状态，对直流母线电压和电网输入电流s进行控制。H2和H3工作在正向DC-DC变换状态。根据蓄电池的充电特性，刚开始充电时为恒流源充电，对电池电流进行控制，当达到浮充状态时变为恒压源充电，对电池电压进行控制。控制框图如图6所示。

图6 蓄电池充电模式控制框图

图6中DC是直流母线参考电压，S是电网输入电流的参考值，B是电池电压的参考值， B是电池电流的参考值。从图中可以看出，整个充电控制过程由两个独立的闭环控制，分别为AC-DC闭环控制和DC-DC闭环控制，实现了充电解耦控制。在AC-DC整流控制过程中，以电网电流内环和直流母线电压外环构成双闭环控制系统，将直流母线电压偏差经过PI调节后，乘以电网电压相位，作为电网电流的参考值，电流偏差经过PI调节，再加上电压前馈来调节SPWM波。在控制过程中，由于电网输入电流相位始终跟随电网电压相位，所以实现的是单位功率因数整流。在正向DC-DC控制过程中，当恒流源充电时，将电流偏差经过PI调节来控制PWM波，当恒压源充电时，将电压偏差经过PI调节来控制PWM波。

当系统处在蓄电池供电模式时，L、N接用电负载。H2和

H3工作在反向DC-DC变换状态，对直流母线电压和电池电流进行控制。H1工作在SPWM逆变状态，对输出电压的有效值和相位进行控制。控制框图如图7所示。

图中可以看出，整个供电控制过程同样由两个独立的闭环控制，分别为DC-DC闭环控制和DC-AC闭环控制，实现了供电解耦控制。在反向DC-DC控制过程中，以电池电流内环和直流母线电压外环构成双闭环控制系统，直流母线电压产生偏差，经过PI调节，输出作为电池电流的参考值，电池电流的偏差经过PI调节后，来控制PWM波。在DC-AC逆变控制过程中，以有效值外环和瞬时值内环构成双闭环控制系统，将有效值偏差经过PI调节后，乘以正弦相位来作为输出电压瞬时值的参考值，瞬时值的偏差经过PI调节后，来控制SPWM波。

4 仿真与实验波形分析

4.1 仿真波形分析

为了验证拓扑结构和控制系统的可行性，本文运用PSCAD软件进行仿真模拟，模拟的相关参数如表1所示。

表1 系统主要参数

图8 蓄电池充电模式仿真波形

图8为蓄电池充电模式仿真波形。(a)表示H1处在整流过程中，电网侧电压与电流波形，从图中可以看出，输入电流按正弦规律变化，且与输入电压同相位，实现了单位功率因数整流，减少了对电网的污染。(b)表示在正向DC-DC工作模式时电压的波形和流经电感的电流波形，图中超前一个相位，说明功率从直流母线侧传到蓄电池侧，给蓄电池充电。(c)表示直流母线电压400 V和蓄电池电压24 V的波形，实现DC-DC变换。(d)表示由5 A的恒流源切换到24 V恒压源的瞬态电池电压电流波形，根据蓄电池的充电特性，实现了恒流源与恒压源相互转换。

图9为蓄电池供电模式仿真波形。(a)表示全桥H1在逆变模式下，负载为20 Ω，输出的电压电流波形，图中输出为标准正弦电压，实现了逆变过程。(b)表示在反向DC-DC工作模式时电压、的波形和流经电感的电流波形，从图中可以看出超前一个相位，与充电模式的相位相反，实现了功率的反向传输。(c)表示为当负载从20 Ω降到10 Ω时的电压电流波形，从图中可以看出，系统动态性能良好且运行比较稳定。

图9 蓄电池供电模式仿真波形

4.2 实验波形分析

为验证理论分析与仿真波形的正确性，搭建了实验样机，主控制器选用TMS320F2812，开关管选用三菱公司的IPM，其它电气参数见表1。

图10所示为蓄电池充电模式下的实验波形。(a)为充电时电网输入的电压电流波形，从图中可以看出电网电压和电网电流同相位，实现了单位功率因数整流，电网电流按正弦规律变化没有畸变，使变换器对电网而言成为一“绿色”用户。(b)为蓄电池充电模式下的、及流经电感的电流波形，图中相位超前于，功率从直流母线侧传到蓄电池侧，这与式(3)的理论分析以及图8(b)的仿真结果完全一致。(c)为恒压源充电时直流母线电压与蓄电池电压波形，直流母线电压400 V，蓄电池电压24 V，实现了正向DC-DC变换。(d)表示恒流源充电时的电池电压电流波形，图中以5 A的恒定电流给蓄电池充电，蓄电池电压为30 V，随着时间的推进电池电压逐渐升高，当达到浮充状态以后，系统变为恒压源给蓄电池充电。

图11所示为蓄电池供电模式下的实验波形。(a)为直流母

图11 蓄电池供电模式实验波形

根据以上的仿真与实验结果表明，理论分析正确，装置运行可靠，且动态性能良好，实现双向AC-DC变换功能。

5 结论

本文给出了基于蓄电池储能的双向AC-DC装置，它是通过控制各电压源之间的幅值和相角来改变功率的大小和方向，并运用AC-DC与DC-DC相互独立的控制方式，实现电网侧和蓄电池侧变流环节的控制系统完全解耦。仿真与实验结果表明该双向AC-DC装置可实现单位功率因数整流、电网侧电流正弦化，减少对电网的污染。在蓄电池供电时，可以为负载提供高质量的电能，且具有良好的动态性能，较以往的蓄电池充电和供电装置，具有更高的可靠性和推广价值。

[1]BHARGAVA B,DISHAW G．Application of an energy source power system stabilizer on the 10 MW battery energy storage system at Chino substation[J].IEEE Trans on Power Systems,1998,13(1): 145-151.

[2]李瑾，杜成刚，张华，等.智能电网与电动汽车双向互动技术综述[J].供用电，2010,27(3):12-14.

[3]黄俊，王兆安.电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2003：150-168.

[4]赵彪，于庆广，王立雯，等.具有馈电功能的新型并网UPS系统及其分散逻辑控制策略[J].中国电机工程学报，2011,31(31):85-94.

Design of bidirectional AC-DC system for battery energy storage

The bidirectional AC-DC equipment was designed for the battery energy storage,the topological structure of the main circuit was given.Independent control links were owned by the topological structure.The control system was completely realized decoupling between power grid side and battery side.The principle for bidirectional converter was analyzed.The system control diagram base on the battery charging mode and supply mode was given.The simulation and experiment results show that Current sine and Unit power factor on power grid side are achieved, when the battery supply,standard sine voltage is output，dynamic performance is well of the system.

AC-DC;DC-DC;bidirectional converter;decoupling

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2215-03

2015-03-29

国家自然科学基金项目(51177067)；教育部留学回国人员科研启动基金项目 (2009-1341)；辽宁省自然科学基金项目(20102092)

杨玉岗(1967—)，男，内蒙古自治区人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子技术及高频磁集成技术。