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1、双 向 储 能 系 统 D C / D C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 3000f，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，内环为电流环，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：35-50V ；电流纹波3%（满载充电工况下） dc由于锂离子电池电压会随着 SOC 波动，
2、其波动范围为 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uout=10.345( -1.031e-35 SOC+3.685 +0.2156 SOC -0.1178 SOC2+0.3201 SOC3) +7.544(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
3、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inDi =Lu dTin2 L=uu (1 - in )Tu u (u -u ) out = in out in2 L 2u LoutT(2)其中 u 为低压侧输入电压，u 为高压侧输出电压，T 为开关周期，L in out为电感满载时电流最大值为i =max1000W35V=28.57A(3)因此有u (u -u ) in out in2u LoutT 28.57 0.03 =0.8571A(4)由(2)可知当 u 最小时，电流纹波有最大值，u =35V 代入
4、可得in inL 0.0031H (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，满足要求。图 4 电感电流纹波2 高压侧：V ：400V；电压纹波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
5、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，因为变换器内部温度越高，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