基于滯環(huán)控制的儲能變流器分析與設(shè)計

宋麗，趙興勇

（山西大學(xué)工程學(xué)院，太原 030013）

我國當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)營面臨著最高用電負(fù)荷持續(xù)增加、間歇式能源接入占比擴(kuò)大、調(diào)峰手段有限等諸多挑戰(zhàn)，這些都嚴(yán)重危及我國電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。采用大規(guī)模電力儲能技術(shù)，不但可以實現(xiàn)電力的“削峰填谷”，有效改善電力的供需矛盾，提高發(fā)電設(shè)備的利用率，還可以提高電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性、改善供電質(zhì)量，并能促進(jìn)可再生能源的利用和發(fā)展[1]。變流器是儲能系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，而變流器控制系統(tǒng)在整個儲能系統(tǒng)中充當(dāng)“大腦”的作用。變流器控制系統(tǒng)直接關(guān)系著整個儲能系統(tǒng)的精確性、可靠性及相應(yīng)速度，因此研究變流器的控制器有重要的意義。

1 變流器的總體結(jié)構(gòu)

儲能變流器主要由隔離變壓器，輸入濾波電路，有源整流電路，輸出濾波電路，控制電路，電壓、電流的檢測等幾部分組成。

如圖1所示，儲能變流器由AC/DC變流模塊、DC/DC變流模塊、控制系統(tǒng)等幾個部分組成。AC/DC變流模塊和DC/DC變流模塊均采用IGBT作為功率開關(guān)管，具有較高的效率和可靠性。IGBT模塊是功率變換主要載體，主要包括IGBT主電路、驅(qū)動電路、保護(hù)電路、部分傳感器、緩沖電路、電容吸收電路等部件。

圖1 變流器基本拓?fù)潆娐房驁DFig.1 Basic topology of the converter circuit

2 變流器控制電路DC/DC部分設(shè)計

如圖2所示，本文設(shè)計的主電路是采用升壓型（Boost）電路和降壓型（Buck）電路反并聯(lián)而成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙向DC/DC變換功能[2-3]。雙向DC/DC變換器的同一橋臂上的2個功率開關(guān)不同時開通，當(dāng)工作在降壓狀態(tài)時，上管導(dǎo)通，下管截止；當(dāng)工作在升壓狀態(tài)時，下管導(dǎo)通，上管截止。工作時，始終檢測電池的電壓和電流，當(dāng)檢測到電池電壓過低，需要充電時，電路工作在Buck方向，從電網(wǎng)側(cè)吸收能量；當(dāng)檢測到電池電壓過高，需要放電時，電路工作在Boost方向，通過逆變電路向電網(wǎng)側(cè)回饋能量。

圖2 DC/DC總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Whole structure chart of DC/DC

2.1 控制策略

控制電路包括AC/DC、DC/DC兩個的控制系統(tǒng)，本文只探討DC/DC控制電路部分。目前雖然變流器的很多控制電路都已經(jīng)數(shù)字集成化，但由于數(shù)字電路主要受限于采樣速率及處理器頻率等因素的影響，其響應(yīng)速度較模擬電路慢。本文采用了PI雙環(huán)控制并結(jié)合滯環(huán)PWM發(fā)生電路，搭建了DC/DC模擬控制電路，總體的控制流程如圖3所示。

圖3 DC/DC部分總控制策略框圖Fig.3 The block diagram of the total control strategy for the DC/DC part

控制系統(tǒng)是一個電壓電流雙閉環(huán)的結(jié)構(gòu)，其中外環(huán)是電壓控制環(huán)，采樣得到的輸出電壓與電壓給定值相減，根據(jù)電壓誤差信號進(jìn)行電壓環(huán)PI運(yùn)算，輸出得到電感電流的給定信號；內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，采樣得到的電感電流與電感電流給定值相減，根據(jù)電流誤差信號進(jìn)行電流環(huán)PI運(yùn)算，實際直流側(cè)的電流值與PI運(yùn)算產(chǎn)生的基準(zhǔn)值通過滯環(huán)控制來決定各功率開關(guān)的時序。本設(shè)計還可以實現(xiàn)電池的恒壓充電模式與恒流充電模式的切換，這一功能是通過PI雙環(huán)框圖中的模擬開關(guān)來完成的。當(dāng)開關(guān)選通電壓外環(huán)輸出信號時，此時是電壓電流雙環(huán)，可以進(jìn)行恒壓充放電；當(dāng)開關(guān)選通電流給定信號時，此時是一個電流環(huán)，可以進(jìn)行恒流充放電。

本設(shè)計中，變換器主回路IGBT開關(guān)元件驅(qū)動所需要的PWM波形，采用的是滯環(huán)比較電流控制法[4-5]。由圖3可知，控制信號經(jīng)過PI雙環(huán)調(diào)節(jié)后，用一個限幅電路把信號約束在可以滿足下一環(huán)節(jié)輸入限制的范圍內(nèi)。滯環(huán)控制中上下環(huán)寬的限定，是由遲滯計算與限幅電路輸出的2個信號進(jìn)行加減運(yùn)算得到的，由于這2個信號是可變的，所以最后運(yùn)算出的上下環(huán)寬值也是可變的，而占空比是由上下環(huán)寬值決定的。由此根據(jù)滯環(huán)的控制原理，實際采樣電流信號與上下環(huán)寬進(jìn)行比較后，產(chǎn)生具體的控制電平信號，即PWM波形。這種控制方法比較傳統(tǒng)，可以控制電流很好地跟蹤輸入電壓波形，具有受控對象響應(yīng)速度快、魯棒性好，功率因數(shù)高等優(yōu)點。圖4中清晰地表現(xiàn)出滯環(huán)控制的原理，其具體的控制實現(xiàn)將在后面的設(shè)計電路中得到體現(xiàn)。

圖4 滯環(huán)控制的原理圖Fig.4 Schematic diagram of hysteresis control

2.2 控制實現(xiàn)部分電路

針對以上的控制策略，本文將部分重要控制實現(xiàn)的電路做一個說明。

主電路中IGBT開關(guān)管的開通和關(guān)斷，是由相應(yīng)的驅(qū)動脈沖來控制的，由于本設(shè)計采用的是滯環(huán)比較電流控制法來產(chǎn)生PWM波形，故電路設(shè)計如圖5所示。給定的上下環(huán)寬信號作為指令電流信號，電池端的電流采樣信號作為實際電流信號。比較器將實際電流信號與指令電流信號進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果超出滯環(huán)寬度，則改變功率元件的開關(guān)狀態(tài)，從而改變實際電流的大小。比如當(dāng)實際電流超出指令電流下環(huán)寬值時，此時下環(huán)寬比較器輸出為高電平，上環(huán)寬比較器輸出為低電平，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出邏輯高電平，這個高電平經(jīng)過反向及與門的運(yùn)算，最終輸出兩個正好互補(bǔ)的觸發(fā)波形信號，分別控制主電路中的同一橋臂上的兩個開關(guān)管，需要下管開通，上管截止，這樣DC/DC主電路處于升壓狀態(tài)，從而使實際電流增大。同理，當(dāng)實際電流超出指令電流上環(huán)寬值時，需要上管開通，下管截止，DC/DC主電路處于降壓狀態(tài)，從而使實際電流減小。這樣的控制方式使實際電流始終限定在滯環(huán)寬度以內(nèi)，使其快速準(zhǔn)確地跟蹤指令電流，響應(yīng)及時。

圖5 滯環(huán)控制比較電路Fig.5 Comparison circuit of hysteresis control

設(shè)計中還加入了故障保護(hù)功能，圖5中的故障信號在正常情況下它是高電平，當(dāng)發(fā)生故障時，輸出一個低電平，此時與門輸出的電平都被拉低，對應(yīng)的開關(guān)管將全部截止，從而實現(xiàn)故障后可以馬上停止輸出的目的。

三相結(jié)構(gòu)雙向DC/DC變換器主電路由3個DC/DC單元電路并聯(lián)而成，總輸出電流為3個斬波電路單元輸出電流之和，其平均值為單元輸出電流平均值的3倍，脈動頻率也為3倍。為了使3個開關(guān)管交錯導(dǎo)通，本次設(shè)計的DC/DC控制電路可以實現(xiàn)移相輸出PWM波的功能。如圖6所示，在滯環(huán)輸出的波形后，加了一個集成計數(shù)器，當(dāng)其管腳CLR、LOAD、ENP、ENT同時為邏輯1時，它處于計數(shù)狀態(tài)；當(dāng)CLR為邏輯1，而LOAD為邏輯0、并且有時鐘脈沖的上升沿作用時，它處于同步并行預(yù)置狀態(tài)，即輸入端的數(shù)據(jù)依次分別被輸出端所接收。根據(jù)此計數(shù)器的工作原理，再加上后面的一個譯碼器，可以實現(xiàn)開關(guān)管的順序移相導(dǎo)通目的。

圖6 移相電路Fig.6 Phase-shifting circuit

3 仿真及實驗測試

本文使用Multisim軟件對設(shè)計電路做了仿真分析[6]，仿真模型是根據(jù)設(shè)計電路來搭建的，測試點就是圖3中所示的移相PWM輸出端，即分別是S1管、S2管、S3管的輸出波形。仿真結(jié)果如圖7（a）所示。圖中的方波信號依次是主電路中并聯(lián)的3個IGBT功率管移相導(dǎo)通的波形情況。

此外，本文還對設(shè)計的樣板電路做了定性的實驗，實驗中在滯環(huán)電路部分給定上下環(huán)寬限值后，模擬一個適當(dāng)?shù)膶崟r電流，讓這一電流與上下環(huán)寬限值進(jìn)行滯環(huán)比較，最后檢測輸出端的波形，實驗的結(jié)果如圖7（b）與7（c）所示。由圖7（b）可見，3個PWM波形分別是主電路中并聯(lián)的S1管、S2管、S3管的導(dǎo)通波形，可以看出，每個開關(guān)管的導(dǎo)通較前一個都有一個相位偏移，這與仿真結(jié)果相同。圖7（c）中是另一個占空比測到的同一橋臂上的兩個開關(guān)管的導(dǎo)通狀態(tài)，可以看到S1管的導(dǎo)通波形與L1管的導(dǎo)通波形是互補(bǔ)的，另外的兩個橋臂上的開關(guān)管也是一樣。

圖7 仿真與實驗結(jié)果Fig.7 Simulation and experimental results

圖8所示的是三相結(jié)構(gòu)的電路中，降壓狀態(tài)下的開關(guān)管驅(qū)動波形，以及輸出電流波形。

為了檢驗本次設(shè)計的變換器在一些突變情況下的穩(wěn)定性能，還進(jìn)行了動態(tài)響應(yīng)實驗，圖9是在降壓狀態(tài)下，母線側(cè)電壓Udc發(fā)生變化時，電池測的電流Ibat的變化情況，可以看出電流變化的響應(yīng)時間在3 ms左右，速度較快。

圖8 PWM波及總電流波形Fig.8 PWM wave and total current wave

圖9 動態(tài)響應(yīng)Fig.9 Dynamic response

4 結(jié)論

本文設(shè)計了由模擬電路搭建的雙向DC/DC控制電路，通過仿真和實驗結(jié)果可以看到該電路實現(xiàn)了如下功能。

1）通過同一橋臂上下2個IGBT開關(guān)管的互補(bǔ)導(dǎo)通，可以實現(xiàn)主電路的雙向變換。

2）通過移相環(huán)節(jié)的設(shè)計，可以實現(xiàn)IGBT開關(guān)管移相輸出的功能，從而降低了開關(guān)損耗和輸出電流的脈動。

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