三相交錯式雙向DC／DC儲能變流器的研究

摘要：大功率雙向DC／DC變流器是電力儲能系統的重要環節，三相交錯技術的引入克服了傳統單相DC／DC變流器的缺點。實驗結果表明，三相交錯式雙向DC／DC變流器應用于電力儲能系統能獲得較好的電壓、電流波形，為電網及儲能系統的安全穩定運行提供了保障。
關鍵詞：變流器；三相交錯；電力儲能

1 引言
隨著大容量電池儲能技術的發展，化學電池電力儲能系統成為解決電力系統電能供需矛盾、改善供電質量、提高電網安全和穩定性以及實現電網可持續發展的全新途徑。其中雙向變流器肩負著電池充電及電能回網的重任，是儲能系統的關鍵設備之一，其輸出電壓電流的質量對化學電池的安全性能、使用壽命及電網的穩定運行起著至關重要的作用。
傳統大功率雙向DC／DC變流器采用單相運行模式，對變流器容量、效率及輸出電能質量的提高有一定限制作用。在此提出一種基于數字控制的三相交錯式雙向DC／DC儲能變流器控制方案。該控制器采用DSP和FPGA聯合控制模式，實現DC／DC變流器的三相交錯運行，有效地改善了系統的工作效率和輸出電能質量，減小流經各相電感的電流峰峰值及平均電流值，從而減小了開關管的電流應力。另外，三相交錯DC／DC變流系統與有源逆變系統結構一致，兩套系統同時基于PEBB模塊構建，利于實現系統模塊化結構。
電力儲能系統中蓄電池的充電方式一般有恒壓限流、恒流限壓、先恒流后恒壓等模式。無論選用哪種模式，在充電初期及后期都存在充電電流過大或過小的問題，如果電流紋波過大則會對某些電流紋波敏感型蓄電池產生危害。當蓄電池放電時，變流器工作在Boost模式，電路中電感的充放電作用必然造成蓄電池輸出電流紋波的產生。采用三相交錯技術構建的變流器可以有效減小蓄電池充放電電流紋波，進而減小電流紋波對某些類型蓄電池的危害。

2 三相交錯式雙向DC／DC儲能變流器
在此采用以PEBB模塊為基本單元的三相交錯拓撲結構，如圖1所示。系統采用DSP與FPGA聯合控制方式，變流器電壓電流信號經DSP采樣形成反饋信號，與給定信號比較后經過PI運算單元得到PWM占空比，DSP產生的PWM驅動信號經FPGA移相后送至PEBB模塊，驅動功率管的開斷。虛線框內，PEBB模塊由6個功率開關管和6個功率二極管組成，并形成三相橋臂并聯連結結構。當變流器工作在單相模式時，6個功率開關管只有一個處于一定頻率的開關狀態，其他5個處于閑置狀態：當變流器工作在三相交錯模式時，Buck電路中3個上管交替導通，3個下管處于關閉狀態，Boost電路中3個下管交替導通，3個上管處于關閉狀態。