一种新型DC/DC变换器的设计

摘要：基于全钒液流电池(VRB)并网与离网运行的需要，设计了一种无源吸收的DC/DC变换器，避免了电路谐振对电池端的影响，并抑制了开关器件的开关电压尖峰。详细分析了电路工作原理，并设计了电路电流内环和电压外环控制器的参数。实验结果证明了无源吸收的DC/DC变换器设计的正确性。

1 引言

VRB用于电力存储时，电池侧电压较低，接入电网运行时，必须通过DC/DC变换器将直流储能模块与微电源并接在电力电子接口设备的直流母线侧，并通过此接口设备实现微电源及储能模块与电网的能量变换和控制。文献介绍了一种移相全桥DC/DC电路拓扑，但存在不足。与推挽全桥电路工作原理类似，硬开关脉宽调制(PWM)控制下，蓄电池直接与全桥DC/DC变换器连接，由于DC/DC变换器中存在变压器漏感，会引起开关管开关电压尖峰，且电感与电容的谐振会对蓄电池侧的电压产生干扰，严重影响蓄电池的寿命。

在此基于硬开关PWM控制下的全桥DC/DC电路拓扑，设计了一种应用于VRB并网系统的大功率DC/DC变换器，并进行了实验验证。

2 系统拓扑

2.1 主电路拓扑

图1为大功率VRB并网系统主电路拓扑，整个并网系统采用两级控制，第1级采用全桥DC/DC电路，对蓄电池侧电压进行升压，并给直流负载供电，第2级采用单相逆变器，给交流负载供电。Km1，Km2为接触器，用于选择交、直流负载。

电路中Llk为串联电感与高频变压器初级漏感之和，高频变压器次级采用二极管整流，电感L、电容C滤波的方式得到稳定的电压源。利用稳定的直流电压源，可实现蓄电池的并网运行，控制逆变器的并网电流即可有效控制蓄电池的并网功率。电路中，Lc，Cc，VDc，Rs构成了一个无源吸收的网络，可有效避免DC/DC变换器的谐振对蓄电池侧的影响，并抑制了开关器件的开关电压尖峰。

2.2 系统工作原理

图2为大功率VRB DC/DC变换器主电路工作原理，整个开关过程有14个阶段，由于对称性，仅需考虑7个开关阶段，假设所有电流变化阶段都是线性的。电路采用硬开关PWM控制方式，控制开关管的导通占空比d，即可控制电路输出。

主电路输入电压Uin=45～60 V，变压器变比n=1：10，变压器初级电感Llk=15μH，Lc=1.5μH，开关频率fs=20 kHz，Cc=10μF，Rs=40 Ω，输出滤波电感L=550μH，C=2.2 mF。

3 全钒液流电池

3.1 电池等效电路

图3为VRB等效电路模型，用受控电压源模拟堆栈电压Usta，受荷电状态(SOC)和电池单体电压影响，泵损被等效为受控电流源，其数值与电池堆栈电流Ista和SOC有关，VRB等效内阻损耗表示为Rrea和Rres，VRB等效外部寄生损耗表示为Rfix和泵损Ipum，VRB动态响应能力用电极电容Cele表示。

3.2 电池仿真模型

根据电池等效电路模型和方程式可建立VRB仿真模型，其功率为5 kW，由39个电池单体组成，电池内部损耗为15%，其中Prea为9%，Pres为6%，杂散损耗为6%，寄生损耗为2%，泵损为4%。电池静置时，端电压为42 V，电流为112 A。

根据式(1)计算的参数和VRB的内部关系，即可搭建VRB的仿真模型。

4 控制器参数设计

4.1 小信号建模

可将电路等效成一个Buck电路，开关管V的开关周期为T，占空比do=d。V导通时，Ui加到负载回路上，Ui=2nUin;V断开时，二极管VD进行续流，电路的控制结构如图4所示。

通过其小信号模型，推导出其传递函数。控制

图5为5 kW VRB DC/DC变换器控制框图。

4.2 电流内环、电压外环参数设计

未加控制器时，电流内环开环传递函数为：

Gid(s)=(0.68s+12.5)/(3.672x10-7s2+1.495x10-4s+1) (4)

加入电流内环控制器Gi(s)=(Kps+Ki)/s，选择ωm=600 rad·s-1，则-20lgKp=L(ωc)，Ki=Kpωm，故Kp=0.008，Ki=4.8，图6a为电流内环波特图，校正前截止频率1.85x106 rad·s-1，相角裕度90°，校正后截止频率降至设定频率7.83x103rad·s-1，相角裕度84.3°。加入电流内环控制器后电压外环开环传递函数为：

Gud(s)=(5.44×10-3s2+3.854s+69)/(3.672x10-7s3+5.59x10-3s2+4.854s+69) (5)

加入电压外环控制器Gu(s)=(Kps+Ki)/s，选择ωm=100 rad·s-1，则Kp=0.93，Ki=93，图6b为电压外环波特图。校正后其截止频率为1.31x103rad·s-1，相角裕度为91.4°，系统相角、幅值裕度都得到提升，稳定性得到保障。

5 实验

基于5 kW的VRB反应堆，电池由36个单体组成，搭建了5 kW VRB放电系统的实验平台，实验参数与上文一致。图7示出实验波形。

由图7c可见，无源吸收网络保证了电池侧电压不受后级电路影响，从而保证电路的正常工作。

6 结论

设计了一种应用于全钒液流电池并网系统的大功率DC/DC变换器，有效避免了DC/DC变换器的谐振对蓄电池侧的影响，并抑制了开关器件的开关电压尖峰，通过实验结果验证了其正确性。