基于互補PWM控制的雙功率變換在混合儲能控制中的研究*

李春祥,李壯舉,王　佳,田　樂

(北京建筑大學電信學院,北京 10044)

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基于互補PWM控制的雙功率變換在混合儲能控制中的研究*

李春祥,李壯舉*,王佳,田樂

(北京建筑大學電信學院,北京 10044)

摘要:暫態(tài)過程中出現(xiàn)的電壓跌路和負荷沖擊會導致母線電壓不穩(wěn)定,從而對微電網(wǎng)運行造成影響。為削弱這一影響,提出基于功率前饋和雙閉環(huán)控制策略的雙功率變換拓撲結構。該結構結合超級電容和蓄電池進行儲能,引入Buck/Boost雙功率變換回路,對功率半導體器件采用雙PWM控制,實現(xiàn)能量雙向流動;建立了狀態(tài)方程模型并對其進行仿真;結果表明,該結構及控制策略能有效抑制暫態(tài)過程中直流母線的電壓波動,超調量幾乎為零,母線電壓在400 V處維持恒定。

關鍵詞:微電網(wǎng);混合儲能;雙PWM控制;Buck/Boost雙功率變換電路;功率前饋控制

利用超級電容等快速儲能技術非常適用于微型電網(wǎng)運行過程中的瞬時功率平衡控制[1-2],所以超級電容結合蓄電池構成混合儲能模型,對微型電網(wǎng)中出現(xiàn)的瞬時功率不平衡問題有較好的研究價值。PWM逆變器的直流母線是儲能與微型電網(wǎng)能量交換的通道,當微型電網(wǎng)功率波動引起流經PWM逆變器的功率發(fā)生變換時,必然引起直流母線電壓的變化。若控制不當,母線電壓釋放能量引起電壓迅速降低,導致PWM逆變器無法正常工作。因此,抑制母線電壓的波動是解決儲能控制問題的一個突破口。在背靠背變流系統(tǒng)中,為了抑制直流母線電壓波動,可以增大母線電容,但會導致系統(tǒng)響應變慢。文獻[3]提出優(yōu)化前饋控制策略,但未基于雙向Buck/Boost雙向變換器建立模型;文獻[4]雖然提出基于雙向Buck/Boost變換器的直接控制策略,對母線電壓波動有一定的抑制能力,但只采用單功率變換的電路;文獻[5]雖然把混合儲能模型用于微電網(wǎng)平滑切換控制,但對直流母線電壓波動問題未具體涉及。

本文將Buck/Boost雙向變換器應用于混合儲能系統(tǒng),進行控制系統(tǒng)設計,通過仿真驗證了所提出結構及控制策略的有效性。

1　儲能模型

1.1傳統(tǒng)儲能結構模型

傳統(tǒng)的儲能等效電路如圖1所示,它由蓄電池、Buck/Boost雙向變換器、三相PWM逆變器及并網(wǎng)阻抗組成,僅利用蓄電池作為儲能,由于蓄電池功率密度低,不能迅速放出能量[6-7],不能很好地解決電壓波動等帶來的瞬時功率不平衡問題,而且電路儲能單元單一,儲能能力有限。

圖1　傳統(tǒng)儲能等效電路圖

圖3　雙PWM控制驅動信號工作示意圖

1.2基于雙PWM控制的雙功率變換的混和儲能電路結構

為了克服傳統(tǒng)儲能結構模型不能迅速放電以及超級電容能量相對較小,充放電能力有限的缺點,把超級電容和蓄電池模型都經過功率變換電路與微電網(wǎng)側相連構成雙功率變換混和儲能電路模型,模型具備大功率輸出和大容量儲能的能力如圖2所示。選用雙PWM[8-9]控制,讓2個功率半導體器件同時工作,在不同的時段給予器件互補的驅動信號,讓超級電容構成的雙向變換器和蓄電池構成的變換器在不同時刻工作,均可以獲得雙向狀態(tài)切換,而且相對于獨立的PWM技術,不需要狀態(tài)邏輯單元就可以獲得雙向切換,系統(tǒng)響應更快,互補PWM控制驅動信號工作原理如圖3所示。

圖2　混和儲能等效電路圖

2　雙PWM控制的雙向變換器的建模

如圖2所示,雙向功率變換器建模過程與單一變換器建模過程類似,以雙向變換器1為例建立數(shù)學模型,設iload=i2-i1,S1/d1導通的時間為d,電感電流iL1和理想電容電壓uc為狀態(tài)變量,利用狀態(tài)空間平均法,建立狀態(tài)方程:

(1)

則在穩(wěn)態(tài)工作點(uC0,iL10,iL20,iload0,d0,us0)處,有:

(2)

在穩(wěn)態(tài)工作點處對系統(tǒng)添加擾動:

uc=uc0+Δuc,iL1=iL10+ΔiL1,iload=iload0+Δiload0

d=d0+Δd,usc=usc0+ΔuSC

忽略二階分量,線性化可得模型:

(3)

取電感電流iL1,輸出電流i0與電容電壓uc為輸出量,則系統(tǒng)的輸出方程:

(4)

由式(3)、式(4),線性化化后可得:

(5)

圖4　Buck/Boost雙向變換器數(shù)學模型的系統(tǒng)框圖

由式(3)、式(5)建立Buck/Boost雙向變換器數(shù)學模型的系統(tǒng)框圖,如圖4所示。

3　基于雙PWM控制的Buck/Boost雙向變換器控制策略

由于Buck/Boost[10]雙向變換器的控制系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)存在正極點,開環(huán)不穩(wěn)定[11],為了保證混合儲能系統(tǒng)在暫態(tài)情況下能保持穩(wěn)定,即具有較好的靜動態(tài)性能,考慮穩(wěn)定直流母線電壓的控制目標,采用電容電壓和電感電流狀態(tài)雙閉環(huán)[12]控制,系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

不考慮系統(tǒng)及控制延時,對電容外環(huán)采取恒壓控制,由圖4和圖5可建立電流內環(huán)和電壓外環(huán)傳遞函數(shù)。

ΔiL1=

(6)

(7)

從式(6)、式(7)可以看出,引起母線電壓Δuc波動的因素主要是Δiload和Δusc。為了降低母線電壓波動,一是可以增大母線電容C,但是增大母線電容會帶來系統(tǒng)體積增大,延緩系統(tǒng)響應速度;二是通過加強調節(jié)器GVR(s)的作用,但是如果在載荷波動較大的情況下,短時間內仍然會造成母線電壓波動。為了消除Δiload和Δusc對母線電壓Δuc造成的影響,更有效的抑制直流電壓的波動問題,采用功率前饋的方法,建立Buck/Boost雙功率變換器的功率前饋+雙閉環(huán)控制策略模型。

如圖6所示,建立電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)

Δuc=

(8)

忽略超級電容內阻rsc,則取Kf=1/K,就可以完全消除Δiload和Δusc的影響,即直流母線電壓uc理論上不再受載荷電流和電源電壓的變化的影響,暫態(tài)下保持穩(wěn)定。

圖6　BUCK/BOOST雙功率變換器的功率前饋+雙閉環(huán)

4　仿真及結果分析

首先為了驗證引入超級電容混合儲能的有效性,采用MATLAB/Simlink軟件建立模型并進行仿真。仿真參數(shù)如下:超級電容200V,10F,0.1Ω;直流母線電壓600V;直流側電感0.8MH,0.2Ω;直流母線電容3.3MF;開關頻率10kHz。t=0時刻,給系統(tǒng)一個階躍干擾,比較傳統(tǒng)的蓄電器模型混和儲能模型直流母線電壓變化情況,仿真波形如圖7、圖8所示。

圖7　基于蓄電器模型的母線電壓波動圖

圖8　基于改進的混合儲能模型母線電壓波動圖

圖9　采用雙功率變換混和儲能主電路結構圖

由圖7、圖8對比可知,給予系統(tǒng)一個相同的階躍擾動,蓄電池模型超調量較大,波動明顯,而混和儲能模型超調量降為25%,而且能更快維持直流電壓母線電壓的穩(wěn)定在400 V,表明采用混和儲能結構后的系統(tǒng)暫態(tài)性能得到改善。

為了更好的改善系統(tǒng)暫態(tài)性能,在上面仿真的基礎上,采用雙功率變換混和儲能拓撲結構,選用雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,主電路結構如圖9所示,在同樣的環(huán)境下進行仿真,仿真參數(shù)如下:超級電容200 V,20 F,0.12 Ω;直流母線電壓600 V;直流側電感0.8 MH,0.2 Ω;直流母線電容3.3 MF,2 kΩ;開關頻率10 kHz。Buck/Boost雙向變換器正常工作,其占空比d0=0.4。仿真波形如圖10所示。

由圖10可知系統(tǒng)在受到階躍擾動后,逆變側三相電壓、電流迅速恢復并保持相位一致,從而電網(wǎng)側系統(tǒng)能穩(wěn)定運行。

圖10　逆變側交流電壓和電流波形圖

由圖11可知系統(tǒng)在同樣時刻受到相同擾動后,直流母線電壓瞬間恢復,超調量為0.017%,而后在400 V處維持恒定。對比圖7和圖8可知,采用雙功率變換混和儲能改進后的系統(tǒng)暫態(tài)性能明顯提高。

圖11　采用雙功率變換混和儲能后暫態(tài)特性圖

5　結論

電壓跌路或波動等導致電壓波動會反映在直流母線電壓上,從而影響儲能穩(wěn)定調節(jié)的發(fā)揮,如果不對這些干擾因素進行處理,微電網(wǎng)將無法穩(wěn)定。本文采用基于雙功率變換混和儲能拓撲結構,采用雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,針對電壓波動帶來的不穩(wěn)定問題進行處理和優(yōu)化。仿真結果表明,該結構及控制策略能很好地處理電壓突變帶來的波動問題,對微網(wǎng)暫態(tài)功率不平衡問題的解決具有重要意義。同時論文具有如下創(chuàng)新:

(1)在蓄電池儲能基礎上,提出超級電容與蓄電池混合儲能雙功率結構,解決電壓波動帶來的功率不平衡問題;

(2)基于互補PWM控制的雙功率變換混和儲能電路,采用電壓電流雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,較好地實現(xiàn)了系統(tǒng)的暫態(tài)平衡,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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李春祥(1987-),男,漢族,河南汝南人,北京建筑大學在讀碩士研究生,研究方向為微電網(wǎng)混合儲能穩(wěn)定控制,lchunxiang@126.com;

李壯舉(1975-),男,河南南陽人,北京建筑大學講師,北京西城,研究方向為微電網(wǎng)混合儲能穩(wěn)定控制,lizju196@163.com。

TheStudyoftheComplexEnergyStorageControloftheBi-DirectionalPowerTransformationBasedontheComplementaryPWMControl*

LIChunxiang,LIZhuagju*,WANGJia,TIANLe

(Institute of Electrical Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architeture,Beijing 10044,China)

Abstract:In order to weaken the influence on micro-grid operation of dc-bus voltage instability caused by Voltage drop or shock load during transient state process,a bi-power conversion topology was presented,which adopted feed-forward and Double-closed-loop control strategy.The program combines the super capacitors and batteries,imports Buck/Boost bi-power conversion circuit,adopts complementary PWM control of the structure of two power semiconductor devices,realizes the energy bi-directional transformation.And the state equation models are built and simulated.The simulation results showed that the voltage fluctuation of the dc-bus voltage is immunized effectively by the structure and the technology,maximum deviation almost is zero and the bus voltage is maintained at 400 V place stationary.

Key words:micro-grid;complex energy storage;complementary PWM control;Buck/Boost bi-directional power converter;power feed-forward control

doi:EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.037

中圖分類號:TM910

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0973-05

收稿日期:2013-09-15修改日期:2013-12-01

項目來源:校級科研基金項目(00331611016);北京市教育委員會科技計劃面上項目(KM201310016002)