双向储能系统DCDC变换器设计

双向储能系统DC/DC 变换器设计

本报告设计了双向储能系统DC-DC 变换器，并基于计算机仿真PSCAD 软件进行了仿真，器变换器拓扑如图1(a)所示，其中左侧为低压侧，接储能电池，右侧为高压侧，接负载与分布式电源，变换器电感为5mH ，高压侧稳压电容为3000μf，开关频率为6000Hz 。变换器控制策略采用双闭环定电压控制，外环为电压环，环为电流环，从而起到稳定高压侧电压的作用，如图1(b)所示。

图1(a) 变换器拓扑

图1(b) 变换器控制策略

1 低压侧：V dc ：35-50V ；电流纹波<3%（满载充电工况下）

由于锂离子电池电压会随着SOC 波动，其波动围为35-50V ，因此首先需要对锂离子电池进行建模。查阅文献可知，可使用单变量函数描述锂离子电池SOC 与电池端电压之间的关系。由于当SOC 为0时，电池端电压为35V ；当SOC 为1时，电池端电压为50V ，因此利用典型的单变量函数可以得到本文中锂离子电池的数学模型，即

3523out 10.345( 1.031 3.6850.2156

0.11780.3201)7.544SOC u e SOC SOC SOC -=-++-++ (1) 根据模型可以得到PSCAD 锂离子电池模型如图2所示。仿真可得其SOC-电压特性曲线如图3所示。

图2 PSCAD 锂离子电池模型

图3 锂离子电池SOC-电压特性曲线

由按秒特性原理，可知电流纹波与高低压侧电压及电感有关，可以得到稳态下的电感电流纹波为

in in out in out in in L out (1)()222u u T u u u u u dT i T L L u L

--∆=== (2) 其中u in 为低压侧输入电压，u out 为高压侧输出电压，T 为开关周期，L 为电感满载时电流最大值为

max 1000W 28.57A 35V

i == (3) 因此有

in out in out ()28.570.030.8571A 2u u u T u L

-≤⨯= (4) 由(2)可知当u in 最小时，电流纹波有最大值，u in =35V 代入可得

0.0031L ≥H (5)

因此L 取5mH 可以满足要求，其电流纹波的仿真波形如图4所示，可以看出电流纹波不到0.7A ，满足要求。

图4 电感电流纹波

2 高压侧：V dc：400V；电压纹波<2%（满在放电工况下）

直流母线电容有滤波和稳压功能，根据参考文献中实际工程的经验值，取稳压电容为1000μf，其高压侧稳压电容纹波如图5所示，可以看出母线电压纹波约为0.15V，占比约为0.0375%，完全满足要求。

图5 高压侧直流母线电压纹波

3 输出功率1kW；

当高压侧负载为1kW时，输出功率如图6所示，高压侧电压如图7所示，电池电压如图8所示，电池输出电流如图9所示，电池SOC如图10所示。可以看出虽然电池电压随着SOC 的下降而下降，但是高压侧电压始终保持稳定，电池测电流会随着电池端电压的下降而上升以维持输出侧功率稳定。

图6 输出功率

图7 高压侧电压

图8 电池电压

图9 电池输出电流

图10 电池SOC波形

4 效率：（充放电模式下）满载时>96%；50%负载时>94%；25%负载时>92%

当变换器工作在放电模式下时，放电功率最初为250W，5s时刻变为500W，7s时刻变为1000W，如图11所示，其效率如图12所示，可以看出在放电模式下，效率满足要求。

当变换器工作在充电模式下时，放电功率最初为250W，5s时刻变为500W，7s时刻变为1000W，如图13所示，其效率如图14所示，可以看出在充电模式下，效率满足要求。

图11 放电时的效率变化

图12 放电时的效率变化

图13 充电时的效率变化

图14 充电时的效率变化

5 若想提高变换器功率密度，在设计时应考虑哪些因素？

1 首先合理的布局是减小体积最有效的方式，主电路、控制电路、散射系统等合理布局，甚

至控制单路PCB板的最优设计，可以最大程度的利用有限空间，可以减少变换器的体积，从而提高其功率密度；

2 散热系统的设计也非常关键，因为变换器部温度越高，效率越低，输出的功率也越低，从而导致功率密度的降低；

3 在满足相应指标的基础上，尽可能采用更小的电感、电容，以及容量更小电力电子开关元件，从而降低体积，提高功率密度；

4 将桥壁多重化，如现有的三相交错DC/DC变换器，多重桥壁可共享输入、输出侧电容、断路器、接触器等原件，且多重化可降低总的电流纹波比率，对电容值要求更低，使其体积更小，从而可大大提高功率密度；

5 对于带高频变压器的隔离型DC/DC变换器，提高开关频率可以大大减少高频变压器的体积，并有利于降低稳压电容值即减少电容体积，从而提高功率密度。

附：PSCAD模型整体布局如图15所示。

图15 PSCAD模型整体布局