付文秀，曹建萍，张学瑾

（上海船舶设备研究所，上海200031）

0 引言

新能源化和电力清洁化已成为当今能源消费的潮流，新能源和清洁能源正在席卷能源消费的各个领域。当然，作为现代社会重要的交通工具，船舶也成为新能源化对象。现代船舶特别是远洋船舶因功率大等原因，传统的化石燃料使得船舶的污染非常严重。资料显示，传统柴油机船舶在行驶过程中造成的大气污染及水污染十分惊人，一吨柴油燃烧后产生的二氧化碳、一氧化碳和碳氢化合物的量都非常大。出于环境保护等原因，船舶新能源化势在必行。如今，新能源化的触角已触及远洋船舶清洁能源化和内河航运船舶电动化等[1-4]。新能源船舶均采用直流组网形式，包括锂电池纯电动船以及混合动力船舶等，这些新能源在使用过程中，由于其供电不稳定，必须在系统中加入大的储能单元来调节能量供应，保证系统能量持续与平稳，然而随着大量电力电子元器件的应用，需要解决的技术风险之一即是直流组网系统的稳定性。当今船舶电力系统稳定性的研究主要针对交流系统，针对直流组网系统稳定控制拓扑的研究相对较少，对影响直流组网电压稳定的因素只有定性的分析[5-6]。双向DC/DC变频器作为连接蓄电池和直流母排的桥梁，除了具备对电池组充放电控制功能外，还需对直流母线电压的稳定性进行控制，是直流组网系统的关键性技术之一。

本文基于双向DC/DC变换器控制技术，对含有锂电池的新能源船舶的直流组网系统稳定性进行分析，对DC/DC变换器的拓扑结构进行比对，结合蓄电池充放电控制，对三相交错式并联双向DC/DC控制策略及电路参数进行了选择和设计，结合某实船系统，对直流组网系统发生功率突升或突卸的情况，以及故障穿越进行分析，结果表明，基于该DC/DC控制策略，能够有效解决新能源船舶直流组网系统的电能品质和稳定性问题。

1 DC/DC变换器拓扑分析

目前常用的拓扑有4种，分别为双向T型Buck-Boost变换器、双向Buck-Boost变换器、双向Cuk变换器和双向Sepic-Zeta变换器。这类拓扑的优点是可靠性高、成本低、结构简单、效率高，缺点是电压变比不能过大，电池储能系统和电网之间没有电气隔离，对蓄电池的安全运行造成不利影响[7-10]。

三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构如图1所示。采用此种拓扑结构，能够提升变换器容量，更加适用于大功率场合，能够使各个器件承受的电流应力减小，等效地提升系统的开关频率，在相同电流纹波系数的要求下，电感的设计量减小，所需电感的总重量大为减轻[11-13]。

图1 三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构

2 DC/DC变换器控制策略及参数设计

在实际运行工作中，蓄电池与电网之间通过变换器装置交换能量，变换器装置的控制方式和策略对于蓄电池的性能和寿命有着至关重要的影响。变换器不仅要具有传统的稳定充放电功能，还需要满足蓄电池电压的宽范围运行、快速充放电响应以及直流网侧电压稳定性等要求。

2.1 参数设计

图1所示的拓扑结构中，S1～S6为IGBT开关管，V1～V6为续流二极管，L1～L3为直流滤波器，用于滤除电池侧纹波，Udc为直流网侧电压，Cdc为直流母线侧电容，主要作用是在Boost模式下开关管导通时进行供电，直接决定了直流电压的纹波。对双向DC/DC变换器主电路参数的选型设计主要是电容Cdc和滤波电感L。考虑到双向DC/DC变换器的Boost和Buck两个方向工作特性，电感L取值应满足下式

2.2 控制策略设计

双向DC/DC变换器的控制结构如图2所示，在双向供电模式即Boost和Buck模式下，均考虑直流网侧电压的稳定性控制，Uref为电压环给定，即直流母线网侧电压给定值，通过电压外环采样，PID闭环控制，用于实现直流母线电压的稳定控制。考虑直流母线电压纹波，本文设计的电压环滤波器用于消除纹波带来的影响，通过电压环控制器后得到三相电感的给定值，与三相电感电流平均值进行比较后，进行PID调节以及电压修正，通过基于载波的脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）转换器生成控制脉冲。

图2 双向DC/DC 变换器控制结构

3 稳定性仿真分析

3.1 系统结构

以某实船直流组网供电系统为例，其系统组成如图3所示，该直流组网系统由2套锂电池组供电，驱动2套直流负载。每套电池组容量为226.8 kW·h，电压为837 V，直流母线电压为DC 1 000 V，为满足系统稳定性需求，各个变频模块均需对直流网侧电压进行控制，本案例基于DC/DC双向变换器对电压侧稳定性进行分析。

3.2 仿真分析

在Matlab/Simulink平台上搭建了基于第3节本文所述控制策略和参数设计方法的直流组网系统的仿真模型，系统参数如下所示：双向DC/DC变换器直流侧电容Cdc取值为4 800 uf；滤波电感L取值为1.6 mH；电压环PID参数为Kp_V＝0.4，Ki_V＝2；电流环PID参数为Kp_IB＝0.1，Ki_IB＝0.5；直流网侧电压1 000 V；直流负载1容量200 kW，通过DC/AC逆变器并网；直流侧负载2为直流线性负载，功率为135 kW；双向DC/DC变换器开关频率为5 kHz；欠压保护设置值为461 V。

仿真设置1：1）仿真初期，2蓄电池组在网，空载运行，在0.2 s突加直流负载2，0.26 s突卸直流负载2，0.32 s突加直流负载2，0.38 s突卸直流负载2；2）在0.5 s投入直流负载1，0.6 s母排短路，短路后1 ms切除故障母线，故障母线所带直流负载1和电池组2同时切除。

仿真设置2：蓄电池组1在网，带载，100 kW，0.4 s电池组由放电模式转为充电模式，充电功率100 kW

仿真结果及分析如图4所示。

图3 某船直流组网系统结构图

图4 仿真设置1直流母线电压仿真波形

图5 仿真设置1电池组1双向DC/DC 变换器直流网侧电流波形

图6 仿真设置2直流母线电压仿真波形

图7 仿真设置2电池组1双向DC/DC变换器直流网侧电流波形

图4和图5为仿真设置1（突加突卸负载和故障恢复）情况下，直流母线的仿真波形，图6和图7为放电模式转为充电模式情况下，直流母线的仿真波形。由图6和图7可见：突加突卸负载时，直流母线电压波动较小，最大值约为（1 000－950）/1 000＝5%，且能够在较短时间（约0.03 s）内恢复到额定电压偏差±3%以内，未引起直流母线电能品质剧烈变化，且动态响应快；在直流母线短路故障时，在1 ms时间时切除故障母线的情况下，直流母线电压跌落到784.5 V，未达到DC/DC变换器的欠压保护值，DC/DC变换器不会闭锁停机，且一般直流母线保护装置动作时间均在微秒级，直流母线电压跌落会更小，故障切除时非故障侧直流母线贡献的短路电流也会更小，DC/DC变换器模块保护装置不会动作。由图6和图7可见，蓄电池组从放电模式转为充电模式时，电压波动和电流波动均在规定范围内，动态响应时间在0.03 s以内，均可满足相应规范的要求。

4 结论

本文基于双向DC/DC变换器和双闭环控制策略和参数设计，对含有动力电池组的直流组网系统稳定性进行分析，涵盖负载频繁突加突卸，及故障恢复和充放电转换的暂态特性。结果表明，设计的三相交错式DC/DC变换器控制策略能够有效的实现直流网侧母线电压的稳定控制及充放电模式转换，通过仿真验证了所提策略以及稳定性的有效性，可满足直流组网系统规范要求，具有一定实用价值。