隔离式双向功率转换器的数字控制

本文探讨隔离式双向DC-DC功率传输的实现方案，即通过调整专用数字控制器，使其除了具有标准的正向功率传输(FPT)功能外，还支持反向功率传输(RPT)功能。文中将介绍系统建模、电路设计和仿真，并通过实验对理论概念进行了验证。应用表明，在两个能量传输方向上，转换效率始终高于94%。

模块化电池储能系统(ESS)有助于可再生电力的有效利用，因而是构建绿色能源生态系统的关键技术。梯次利用电池ESS应用日趋广泛。在这个子市场中，预计高达80%的废弃电池会用于ESS，在固定电网服务中焕发新生，从而将电池的使用寿命从5年延长到15年。预计到2030年，这些系统会给电网增加1 TWh的容量。1在不久的将来，这种新兴应用必将在能源市场中变得更加重要。

典型实现方案是将不同电池模组堆叠起来，通过功率转换器将其能量传输到集中式交流或直流母线（随后以某种形式将能量分配给负载）。此类系统的挑战在于，每个模组具有不同的化学组成、容量和老化曲线。在传统的模块化拓扑中，最弱的模组会影响整个电池堆的总可用容量（图1）。

图1.模块化ESS的挑战

为了解决这一限制，在图2所示的架构中，电池堆中的能量通过每个电池模组的单独DC-DC转换器传输到公共中间直流母线。然后，该能量通过主功率转换器支持集中式中压(MV)交流或直流母线。图2中的电压和功率水平是根据市场上ESS的典型数据选择的：48 V电池模组、400 V (DC)中间直流母线、20 kW以上（高功率）主功率转换器以及高达1500 V的集中式母线2。

图2.基于电池的模块化ESS

在图2中，电池堆中每个模组的接地基准不同，因此需要通过隔离让每个电池模组实现单独的DC-DC转换器。此外，为了支持梯次利用电池ESS等混合系统，每个转换器还必须能够双向传输功率。这样，就能轻松实现每个模组的独立充放电以及电荷平衡。因此，本文讨论的应用核心模块是DC-DC转换器，它既是隔离的也是双向的。

下面将说明，如何调整功率转换专用的数字控制器（通常仅针对单向功率传输而构建），使其支持双向操作，这样控制器就能作为一种良好的替代方案来安全可靠地实现所需类型的DC-DC转换器。

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