大功率DC-DC变换器的设计

2021-04-01李峰

上海电气技术 2021年1期

李峰

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海 200070

1 设计背景

风能、太阳能、潮汐能等可再生能源被认为是未来电能的有效来源,在世界范围内已被大量使用。为解决可再生能源发电的间歇性和多变性问题,需要配备储能系统,通过储能系统减小可再生能源发电对电网产生的冲击和影响,保证电网运行的稳定性[1-2]。另一方面,由于新能源汽车的快速发展,大量汽车动力电池退役,退役电池作为储能电池被二次利用。退役电池储能系统和液流电池储能系统作为化学储能系统,被逐步应用于风电、光伏发电和配电系统。液流电池储能系统由于电压低,需要配备DC-DC变换器,对电池进行升压,再传送至储能变流器。退役电池储能系统从电池安全性、一致性角度考虑,减少电池的串联数量,导致退役电池储能系统的电压相比新电池系统明显偏低,同样需要配备DC-DC变换器,对电池进行升压,再传送至储能变流器。

目前,国家鼓励可再生能源发电系统配备储能系统。在行业内,一般按照发电系统装机容量的20%～30%配备储能系统。以此估算,液流电池储能系统用于可再生能源发电系统,所配备的容量至少为兆瓦时级,输出功率一般在500 kW以上。单个退役电池储能系统的装机容量也为兆瓦时级,输出功率一般在250 kW以上。对于如此高的输出功率,目前行业内由于缺少大功率DC-DC变换器,通常采用小功率DC-DC变换器多机并联应对。但是,储能系统达到兆瓦级输出功率时,DC-DC变换器多机并联的方案存在成本高、稳定性差、效率低等缺点,无法满足应用要求[3]。由此可见,设计低压大功率DC-DC变换器具有重要意义。

2 拓扑结构

笔者针对液流电池储能系统设计DC-DC变换器。液流电池输出电流大,储能容量大,支持过充、过放,且不会损坏电池。液流电池单元额定功率为250 kW,直流额定电压为200 V,额定输出电流为1 250 A,基于以上参数,对DC-DC变换器进行设计。

在储能系统中,DC-DC变换器工作时有两种模式,分别为升压模式和降压模式[4]。当DC-DC变换器工作于升压模式时,DC-DC变换器为高压侧直流母线端提供能量,在维持直流母线电压相对稳定的同时,为高压侧输送能量。当DC-DC变换器工作于降压模式时,直流母线侧能量回馈给电池侧,为电池充电,从而实现能量双向流动。基于以上两种模式,笔者采用降压-升压电路拓扑结构设计DC-DC变换器。

设计DC-DC变换器的拓扑结构,需要考虑以下六方面:① 不同输出功率状态下电流纹波需要满足要求,避免过大,不对电池寿命和性能产生影响[5-6];② 在全功率段范围内,控制精度需要满足要求;③ 可靠性要求;④ 采用模块化设计,满足不同功率段的要求[7];⑤ 保证散热良好;⑥ 成本可控,效率高,稳定性强。基于以上六方面,采取六路降压-升压电路交错并联,可以减小滤波电感的感值和体积,支路电感参数保持一致,并能够有效减小电流纹波和滤波电容容量[8]。考虑模块化设计,满足不同功率段的要求,DC-DC变换器内部设有两个DC-DC功率模块单元,每个功率模块单元内三路降压-升压电路交错并联。所设计的DC-DC变换器拓扑结构如图1所示。

图1 DC-DC变换器拓扑结构

额定输出电流为1 250 A,相当于每个支路电感分配约210 A电流,考虑电感纹波和运行裕量,选用FF600R12ME4型开关管,配套2SP0115T2A0-12型驱动模块。在DC-DC变换器的高压侧和低压侧分别安装预充电回路,抑制电池或储能变流器接入DC-DC变换器瞬时引起的过流[9]。

电池侧直流额定电压为200 V,额定电流为1 250 A,高压直流侧额定电压为700 V,额定电流为357 A,开关频率为5 kHz,电池侧电压纹波为5%,电感电流纹波按30%计算,得到每条支路电感为0.5 mH。

DC-DC变换器采用单个控制器,数字信号处理器芯片为主控微控制单元,主要负责电池充放电控制、输出直流电压下垂控制、并联均衡控制等。采用TMS320F28335型数字信号处理器,具备150 MHz浮点中央处理器。选用MAX7000A系列复杂可编程逻辑器件芯片,主要负责DC-DC变换器的驱动保护、硬件保护、软件保护、驱动信号生成等,以满足各种保护功能快速性的要求。选用AD7606型外接模数转换芯片,可以同步采集多路电流、电压信号,主要负责六条支路电感电流和电压的采样。中央处理器输出驱动信号,经复杂可编程逻辑器件芯片生成六对驱动信号,分别驱动六个绝缘栅双极晶体管模块。

3 多机并联控制策略

目前,国内可再生能源发电系统一般按照总装机量的20%～30%配备储能系统。单台集中式光伏逆变器的功率为3 MW～4 MW,需要配备输出功率为600 kW～1.2 MW的液流电池储能系统,而单台DC-DC变换器的输出功率很难达到600 kW及以上,因此需要多台DC-DC变换器并联实现。

扩容并联时,需要实现并联均衡控制,不仅要保证DC-DC变换器之间的功率均衡[10],而且要保证液流电池之间的充放电均衡。为完成DC-DC变换器扩容并联,设置下垂曲线,采用下垂控制技术,实现DC-DC变换器的并联控制。在对多台DC-DC变换器进行控制时,下垂曲线的设置决定了DC-DC变换器运行功率的分配。若为多台DC-DC变换器设置同样的下垂曲线,则可实现功率均分。若要实现任意功率分配,则可设置不同斜率的下垂曲线。

笔者设置DC-DC变换器的输出功率与高压侧直流母线电压满足下垂曲线特性,下垂曲线如图2所示。

图2 下垂曲线

定义DC-DC变换器由电池发出功率为正,即放电为正,充电为负。设置直流侧输出电压为550～650 V,系统额定功率为250 kW,斜率绝对值的最大值为0.000 2,则下垂曲线斜率范围为[-0.000 2,0]。在实际运行中,需要留有裕量,设计电压范围为575～625 V,计算得到斜率为0.000 1,则下垂曲线的表达式为:

U=600-0.000 1P

(1)

式中:P为检测得到的DC-DC变换器输出功率;U为计算得到的高压侧直流母线电压参考值。

DC-DC变换器算法控制框图如图3所示。检测得到的DC-DC变换器输出功率P进入下垂曲线,通过计算得到高压侧直流母线电压参考值U,并与检测得到的直流电压Udc做差,进入比例积分(PI)调节器,得到电流参考值iref。电流参考值均分六份后为iLi_ref,与实际电流iLi进行比例积分调节,得到脉冲宽度调制(PWM)信号。脉冲宽度调制信号相位依次相差120°,驱动电力电子器件。