摘要：大功率雙向DC／DC變流器是電力儲能系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，三相交錯技術的引入克服了傳統(tǒng)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(tǒng)能獲得較好的電壓、電流波形，為電網及儲能系統(tǒng)的安全穩(wěn)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(fā)展，化學電池電力儲能系統(tǒng)成為解決電力系統(tǒng)電能供需矛盾、改善供電質量、提高電網安全和穩(wěn)定性以及實現電網可持續(xù)發(fā)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(tǒng)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(wěn)定運行起著至關重要的作用。
    傳統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)與有源逆變系統(tǒng)結構一致，兩套系統(tǒng)同時基于PEBB模塊構建，利于實現系統(tǒng)模塊化結構。
    電力儲能系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)，其他5個處于閑置狀態(tài)：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(tài)，Boost電路中3個下管交替導通，3個上管處于關閉狀態(tài)。

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    假設變流器工作在單相Buck模式時單個功率管的開關周期為T，該功率管PWM驅動波形的占空比為D，輸入電壓為Ui，輸出電壓為Uo，電感值為L。變流器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，當功率管VS開通，二極管VD關斷時，L處于充電狀態(tài)，則電感電流正向變化量為：
   
    當VS關斷，VD開通時，L處于放電狀態(tài)，則電感電流負向變化量為：
   
    三相交錯模式下，保持與單相模式相同的輸入輸出，并保持功率管的開關頻率不變，3個功率管交替導通且互差120°，設其驅動波形占空比分別為D1，D2，D3。當VS1導通時，電感L1處于充電狀態(tài)，電感電流正向變化量為：

    式中：t0為VS1關斷時刻；t1，t2為VS2開通與關斷時刻；t3，t4為VS3開通與關斷時刻。
    變流器穩(wěn)態(tài)工作時，△iL1+=△iL1-，則有：
    Uo／Ui=D1+D2+D3=D     (6)
    為了便于PWM驅動波形的移相設計，取D1=D2=D3=D／3。當VS2，VS，開斷及Boost模式下結論相同。三相交錯變流器工作在Buck模式時，3個橋臂的工作時序如圖2a～c所示。前T／3，VS1以D／3開斷；中間T／3周期，VS3以D／3開斷；后T／3，VS5以D／3開斷。當功率管開通時，Ui直接加在輸出端，當功率管關斷時，功率二極管實現續(xù)流作用。同理，三相交錯變流器工作在Boost模式時，3個橋臂工作時序如圖2d～f所示。

    該系統(tǒng)設定Buck模式對蓄電池充電，Boost模式蓄電池放電。如圖2所示，三相交錯Buck模式下，變流器對蓄電池充電，假設充電電流為恒定I，流經3個電感的平均電流分別為IL1，IL2，IL3。由于三相橋臂采用并聯結構，有I=IL1+IL2+IL3，在三相電路結構完全相同的情況下，有IL1=IL2=IL3=I／3，而單相模式時相同的充電電流下iL=I。Buck模式下，電感電流紋波系數計算式為：
   
    式中：d為開關管驅動波形的占空比；fs為開關頻率。
    由上述可知，三相模式下的fs與單相相同，d=D／3，電感電流為單相模式的1／3，可得ri不變，電流紋波為單相模式的1／3。因此，在相同頻率及電感等運行條件下，較單相模式DC／DC變流器，三相交錯模式DC／DC變流器流經電感的電流較小，且三相電流波峰互差120°，疊加后總電流紋波減小。同樣，三相交錯Boost模式下，蓄電池處于放電狀態(tài)，放電電流等于三相電感電流之和，放電電流紋波及電感電流都比單相模式小。
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3 三相交錯PWM驅動波形的產生方式
    該變流器數字控制系統(tǒng)采用DSP作為主控器，通過配置DSP內部事件管理器(EV)的各寄存器，可產生6路互不干擾的PWM驅動波形。雙向
DC／DC變流器可工作在獨立PWM和互補PWM兩種模式下，在此選擇獨立PWM工作方式。即當系統(tǒng)工作在Buck模式時，僅上橋臂功率管工作，所有下橋臂功率管可靠關斷；當系統(tǒng)工作在Boost模式時，僅下橋臂功率管工作，所有上橋臂功率管可靠關斷。由于EV基于同一個時鐘信號產生PWM驅動波，各PWM波同相位，需要經過移相才能應用于三相交錯變流器系統(tǒng)。在此采用FPGA內部FIFO存儲器實現PWM波形移相功能。
    在QuartusⅡ中，FIFO模型可用MegaWizard創(chuàng)建，也可用HDL代碼創(chuàng)建，兩種創(chuàng)建方式實際都是對存儲器進行參數配置的過程，在此選用
VHDL語言創(chuàng)建該模型。該系統(tǒng)設定功率管開關頻率為5 kHz，因此DSP應產生周期為200 ms的PWM驅動波形，對其進行60°和120°移相，實際就是進行200／3 ms和400／3 ms的延時。選用頻率為33 MHz的FPGA，FIFO數據讀入讀出的頻率直接使用系統(tǒng)頻率，若要產生200／3 ms的延時，FIFO壓棧深度應該為2 200，若要產生400／3 ms的延時，FIFO壓棧深度應該為4 400，因此配置FIFO最大壓棧深度為8 192，對應地址寬度為13。系統(tǒng)Boost，Buck驅動波形相互獨立，FIFO位寬設置為2，分別實現Buck與Boost驅動波形的移相。
    配置兩個FIFO模型FIFO1與FIFO2，分別設置兩個計數變量，使得FIFO1讀使能滯后寫使能2 200個系統(tǒng)時鐘周期，則產生60°波形移相；使得FIFO2讀使能滯后寫使能4 400個系統(tǒng)時鐘周期，則產生120°波形移相。最后需要對FIFO模型進行端口映射，其輸入映射到DSP的PWM輸出端，輸出映射到PEBB模塊驅動輸入端，復位信號端映射到DSP輸出移相使能端。當輸出使能端有效時，FPGA對三相驅動波形進行相應移相，系統(tǒng)工作在三相交錯模式；當輸出使能無效時，FPGA直接輸出一相原始波形，系統(tǒng)工作在單相模式，如此可以輕松實現兩種模式的切換。

4 實驗結果及分析
    根據上述模型搭建實驗平臺，PEBB選用IGBT模塊。直流輸入由三相調壓器通過三相整流橋整流得到，Boost模式下模擬蓄電池放電；負載為50 Ω大功率電阻，Buck模式下模擬蓄電池充電。
    圖3示出系統(tǒng)Buck模式下三相PWM波形移相QuartusⅡ仿真結果與實測結果。分析波形可知，三相驅動波互差60°，誤差在30 ns以內，完全符合設計要求。

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    圖4a，b為系統(tǒng)Buck恒壓模式下工作于單相模式和三相模式時的實驗波形。其中Uo，Io分別為變流器輸出直流電壓電流，iL為電感電流，Ibat為電池側輸出電流。兩種模式工作在相同參數下，輸入直流電壓300V，Buck輸出直流電壓200 V，輸出電流4A。圖4c，d為系統(tǒng)Boost恒壓模式下工作于單相模式和三相模式時的實驗波形。兩種模式工作在相同參數下，輸入直流電壓100 V，Boost輸出直流電壓200V。

    分析實驗波形可得單相模式與三相模式下，雙向DC／DC儲能變流器的輸入輸出電壓電流峰峰值、紋波系數，電感電流峰峰值、平均值、紋波系數如表1所示。

    比較三相系統(tǒng)與單相系統(tǒng)數據，Buck模式下，由于濾波電容的作用，兩系統(tǒng)輸出電壓電流紋波相差不大，三相系統(tǒng)略小于單相系統(tǒng)，三相系統(tǒng)下的iL峰峰值遠小于單相系統(tǒng)，iL平均值約為單相系統(tǒng)的1／3；Boost模式下，三相系統(tǒng)輸出電壓紋波較小，三相系統(tǒng)電池側輸出電流峰峰值較小，電池側輸出電流紋波系數約為單相系統(tǒng)的1／3，三相系統(tǒng)下的iL峰峰值遠小于單相系統(tǒng)，iL平均值約為單相系統(tǒng)的1／3。
    實驗結果證實，與單相模式相比，在運行條件相同的情況下，三相交錯雙向DC／DC變流器有如下優(yōu)點：①輸入輸出電流平均分配到3對橋臂上，減小了開關管的電流應力，避免了開關管、輸出電感等器件過于疲勞，發(fā)熱過于集中等問題；②由于3對橋臂交替導通，輸入輸出電流相互疊加且互差1200°，電流紋波大大減??；③由于各相中承擔的電流減小，可以采用更為小型的輸出電感，提高負載的瞬變應答能力。

5 結論
    基于DSP與FPGA聯合控制方式，結合PEBB模塊，實現雙向DC／DC儲能變流器的三相交錯運行模式。實驗結果表明，該方式可以有效減小系統(tǒng)輸出電壓電流紋波，改善電能質量，使得電力儲能系統(tǒng)綜合性能大大提高，適應不同儲能電池的能力大大增強。