單臂型直流-直流功率轉換器模型

如圖5-25 所示為單臂型直流-直流功率轉換器電路圖，由一組功率開關

T

₁^與

T

₁^來控制 功率轉換器操作於升壓模式或降壓模式，直流濾波電感

L

_B與直流鏈電容

C

_BT則作為濾除漣 波以及穩定輸出電壓之用。當電流由直流鏈

v

_dc流向蓄電池

v

_BT時，此轉換器操作於降壓模式，

對電池進行充電；當電流由蓄電池流向直流鏈側，此時操作於升壓模式，將電池能量釋放，

完成電池充放電的過程，以下將利用此模型推導升壓模式與降壓模式之控制策略。

圖5-25 單臂型直流-直流功率轉換器電路圖

 降壓模式之控制策略

當單臂型直流-直流功率轉換器操作於降壓模式時，其主要控制上臂開關

T

₁^導通與截止，

下臂則等同於二極體，與電感、電容形成一降壓型功率轉換器，將能量由直流鏈側對蓄電 池進行充電。

圖5-26 單臂型直流-直流功率轉換器降壓模式之開關等效電路圖

將圖5-25 轉換為開關狀態之等效電路，可得如圖 5-26 所示之等效電路圖，進而推導出 輸出電壓帄均值

v

_x與直流鏈電壓的關係為

1

x dc

v  S v

^ (5-25)

其中

S

₁^為上臂開關切換狀態，當上臂功率電晶體導通時

S

₁^為狀態1，反之為狀態 0，再利 T1^

T

1^

LB

vBT

C

dc

v

dc

CBT

2

i

dc

LB

vBT 1

idc

Cdc

vdc ^iBT

CBT

S1^

vx

用克希荷夫電壓定率(KVL)可求出電感的微分方程式為

其中 表示比例-積分控制器之運算，再將式(4-28)、(4-29)代入(4-27)得到責任週期為

 

Simulink 內建之電池進行充電，觀察其充電狀態(state of charge, SOC)、電池電壓、電流及 功率變化情形。如圖5-28 所示為直流-直流功率轉換器電流控制模式之模擬架構電路圖，輸

Constant Voltage Control

Constant Current Control

圖5-28 直流-直流功率轉換器電流控制模式之模擬架構電路圖

圖5-29 直流-直流功率轉換器之充電 SOC

圖5-30 直流-直流功率轉換器之充電電壓

2

idc

T1^

T

1^ v_BT

1

i

dc

iBT

Battery 400 V, 50 Ah

Lithium-Ion 22 mH

2200 F 22000 F

650 V

0.5 1 1.5 2 2.5 3

94.95 95 95.05 95.1 95.15 95.2

time(sec.)

%

SOC

0.5 1 1.5 2 2.5 3

440 441 442 443 444 445 446

time(sec.)

Volt

Battery Voltage

圖5-31 直流-直流功率轉換器之充電電流

如圖5-29 至圖 5-31 所示為經由轉換器後電池充電之 SOC、輸出直流電壓與電流波形，

由波形可看出SOC 經由充電而持續上升，電壓則是在大約上升至 445 V 時改由定電壓充電，

此時電流也由原本定電流80 A 充電而慢慢下降(負號表示對電池充電)，上述之波形可驗證 充電模式的正確性。

 升壓模式之控制策略

在單臂型直流-直流功率轉換器操作於升壓模式時，其主要控制下臂開關

T

₁^導通與截 止，上臂則等同於二極體，與電感、電容形成一升壓型功率轉換器，將能量由蓄電池釋放 能量到直流鏈側，以供給負載使用。

圖5-32 單臂型直流-直流功率轉換器升壓模式之開關等效電路圖

將圖5-25 轉換為開關狀態之等效電路，如圖 5-32 所示，進而推導出輸出電壓帄均值

v

_y 與直流鏈電壓的關係為

 ¹

¹



y dc

v   S v

^ (5-31)

其中

S

₁^為下臂開關切換狀態，當下臂功率電晶體導通時

S

₁^為狀態1，反之為狀態 0，

再利用克希荷夫電壓定率可求出電感的微分方程式為

0.5 1 1.5 2 2.5 3

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40

time(sec.)

Ampare

Battery Current

2

i

dc

L

B

vBT 1

idc

Cdc

vdc ^iBT

CBT

S1^

vy



1 1



_{dc BT B} d _{BT B BT}

其中 表示比例-積分控制器之運算，再將式(5-34)、(5-35)代入(5-33)得到責任週期為

 

Simulink 內建之電池進行放電動作，觀察其充電狀態、電池電壓、電流及功率變化情形。

如圖5-34 所示為直流-直流功率轉換器電壓控制模式之模擬架構電路圖，輸入為一電池模型，

Constant Voltage Discharge

Constant Current Discharge

圖5-34 直流-直流功率轉換器電壓控制模式之模擬架構電路圖

如圖5-35 至圖 5-37 所示為電池放電之 SOC、輸出直流電壓與功率波形，由波形可看 出SOC 經由放電而持續下降，電壓也同樣慢慢地下降，電流則是穩定輸出 20 kW 的功率對 電阻放電，輸出電壓則是維持在命令值650 V 左右，如圖 5-38 所示。由以上波形可驗證充 電模式的正確性。

圖5-35 直流-直流功率轉換器放電之 SOC

圖5-36 直流-直流功率轉換器之電池放電電壓

2

i

dc

T1^

T1^ v_BT

1

idc

iBT

Battery 400 V, 50 Ah

Lithium-Ion 22 mH

2200 F 22000 F

20 kW

0.5 1 1.5 2 2.5 3

94.92 94.93 94.94 94.95 94.96 94.97 94.98 94.99 95

time(sec.)

%

SOC

0.5 1 1.5 2 2.5 3

430 430.5 431 431.5

time(sec.)

Volt

Battery Discharging Voltage

圖5-37 直流-直流功率轉換器之電池輸出功率

圖5-38 直流-直流功率轉換器放電之輸出電壓

在文檔中 整合多種分散型資源之微型電網研究---子計畫三：整合多種分散型資源之微型電網規劃設計研究 (頁 37-43)