成果展示 | 基于RDCX拓扑的电池二倍工频电流纹波抑制方法

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户用储能近年来备受关注，其原因在于：政策端，能源危机加速家庭能源自主需求，叠加美、中、欧等地光储补贴政策，致使户储经济性凸显；市场端，全球户储装机量呈指数型增长；企业端，磷酸铁锂电池(LFP)电池成本逐步降低。

储能变换器(PCS)是整个系统的核心单元，其性能极大影响了户储产品的竞争力。对PCS来说，除对效率和功率密度有要求之外，当电池作为能量存储单元时，PCS需要具备相应的功能以适应电池提出的技术需求。一是电池侧二倍工频电流纹波抑制，二是宽电压范围工作以适应电池电压变化。

(a)户用储能

(b)两级式PCS

图1 典型户用储能系统

一种抑制二倍工频电流纹波的

双环控制方法

    针对电池侧二倍工频电流纹波抑制问题，ZJU-PMIC团队提出了一种双环控制方法，以解决工作在放电模式下过大的电流纹波。具体为：在传统的电压环控制中，插入电流内环进行控制，电流内环是快环，电压外环是慢环。在电流快环的作用下，电流将被控为恒定，实现对电流纹波的抑制，二倍工频的功率纹波将表现为电压纹波的波动，电压慢环只维持电压平均值恒定即可，最终将功率纹波完全阻隔在电池之外。

(a)单电压环

(b)电流内环电压外环

图2 传统单电压环控制和电压外环电流内环的双环控制

(a)单电压环

(b)电流内环电压外环

图3 不同控制策略下的对比

具备宽电压范围的RDCX拓扑

    针对宽电压范围工作问题，ZJU-PMIC团队提出了RDCX拓扑结合变母线电压策略，在满足变换器宽调压范围需求同时，提高全电压范围内的效率。首先RDCX拓扑具体为：以固定频率的串联谐振型电路DCX，结合Buck电路进行调压，构成整体RDCX拓扑。DCX电路开关频率恒定，输出电压随着电池电压线性变化；通过R部分提供电压补偿，来实现母线电压的稳定。由于DCX和R在直流侧串联，其电压比也就是功率比。但由于调压部分(R)功率经过了两级电路，效率必然有损失。为提高效率，需降低R部分的功率或电压占比。

图4 RDCX拓扑

图5 调压原理

    因此，ZJU-PMIC团队采取了变母线电压的方式。当电池电压较高时，DCX部分传递绝大部分能量，R部分只用处理纹波功率。随着电池电压的下降，母线电压随之线性变化。当电池电压接近亏电时，R部分才提供最低限度的直流电压补偿以满足交流侧220V电压不失真。

(a)定母线电压

(b)变母线电压

图6  定母线电压 vs. 变母线电压

仿真验证与结论

    通过仿真验证所提出方案的可行性。在PLECS中搭建了仿真模型，为RDCX拓扑后接逆变器，带电阻负载。输出直流功率为3000W，母线电容按照0.5uF/W，确定为1.5mF。对比单电压环控制、双环控制下对二倍工频纹波电流的抑制情况，计划将电池测纹波电流限制在10%以下。

    纹波电流情况。经理论分析，单电压快环控制下，母线电流和电池电流都会有接近100%的纹波电流；在双环控制下，母线电流和电池电流都将恒定，几乎没有纹波。在仿真实验中，母线电流在单电压快环控制下，母线电流存在较大的二倍工频纹波电流。而双环控制中，母线电流被电流快环控制，近似恒定。

    电池电流。当输出功率为3000W时，电池电流平均值约为62A。在电压快环的控制下，纹波电流达到了56A，而双环控制下，纹波电流被抑制到4A。此时平均电流为62A，引入双环控制后纹波电流被限制到6%。电压快环时的纹波电流百分比91%。可见，通过引入双环控制，实现了对电池电流纹波很好的抑制效果。

    此外，我们观察了谐振腔的电流：单电压快环控制下，由于二倍工频纹波电流较大，导致谐振腔电流上也叠加了二倍工频的电流分量。但双环控制下，二倍工频纹波电流对谐振腔电流的影响较小。

图7 理论分析-电流波形对比

图8 仿真验证-电流波形对比

    相应地各个端口的电压也进行对比。由于绝大部分功率由DCX传递，R部分只处理纹波功率，RDCX拓扑中的效率优势可得到验证。且由于各部分直流侧串联、电流相同，功率的分配情况可由各端口电压的分配情况间接验证。母线电压波动全部由R部分承担，DCX电压恒定。理论上母线电压波动为18V，全部由R部分处理。

    可以看到在双环控制下，母线电压的平均值主要有DCX部分来承担。在电压纹波的分配上，可以看到母线电压纹波为19V，DCX部分电压维持恒定。R部分电压纹波为18V，纹波电压几乎均由R部分承担。

图9 理论分析-各端口电压波形

图10 理论分析-各端口电压波形

    针对户储PCS中电池二倍工频电流纹波抑制和宽范围下高效率运行的挑战，ZJU-PMIC团队提出了创新解决方案：双环控制有效抑制了电池侧二倍工频电流纹波，有效保护电池并提升稳定性；同时RDCX拓扑结合变母线电压策略，在宽电池电压范围内，通过高效DCX传递绝大部分功率，仅让小功率调压模块R处理纹波和必要补偿，实现了全范围的高效运行。