基于改進(jìn)平均電流控制的交錯型磁耦合DC-DC變換器研究

陳 東，王 磊，趙君君

?

基于改進(jìn)平均電流控制的交錯型磁耦合DC-DC變換器研究

陳 東1，王 磊2，趙君君1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105；2.浙江艾羅電源有限公司，浙江 杭州 310000)

以多相交錯型DC-DC變換器為研究對象，首先對變換器主電感進(jìn)行磁集成研究，通過歸一化等效電感分析，給出多相磁耦合電感設(shè)計準(zhǔn)則。采用小信號對變換器Buck模式進(jìn)行建模，推演出狀態(tài)變量到控制變量的傳遞函數(shù)。然后依據(jù)三相磁耦合變換器的開環(huán)特性，并結(jié)合平均電流控制的不足，設(shè)計出對應(yīng)補償網(wǎng)絡(luò)，提出補償電流環(huán)的改進(jìn)平均電流控制策略。最后通過仿真和實驗，證明了所提出的新型控制策略，較之傳統(tǒng)控制方式，可優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性。同時，磁耦合電感設(shè)計還改善了相電流紋波，提高了變換器暫態(tài)電流響應(yīng)速度。

交錯并聯(lián)；磁耦合；小信號建模；改進(jìn)平均電流控制

0 引言

隨著環(huán)境問題的日益突出和石化能源的過度消耗，太陽能、風(fēng)力、飛輪儲能等分布式新能源發(fā)電受到各國追捧，得到了飛速發(fā)展，與此同時，基于V2G技術(shù)的新能源汽車、計及新能源微電網(wǎng)技術(shù)的電動汽車充放等同樣受到高度重視，成為各界研究的重點和熱點。然而，無論上述新能源分布式發(fā)電系統(tǒng)，抑或是新能源汽車及其EV充放電系統(tǒng)，要實現(xiàn)新能源的綜合消納和高效利用，必須依賴儲能系統(tǒng)，以及可實現(xiàn)能量雙向流動的功率變換器裝置。考慮新能源發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)對雙向直流變換器的要求，可采用具有高輸入輸出電壓變比，電流紋波小、開關(guān)管電壓應(yīng)力低、可滿足低壓大功率場合的多相耦合交錯型非隔離雙向DC-DC變換器。因此，分析交錯型磁耦合變換器小信號模型，研究更準(zhǔn)確的建模方法及更有效的控制策略，保證變換器穩(wěn)定高可靠性的工作就有著非常重要的意義[1-3]。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中關(guān)于交錯并聯(lián)雙向DC-DC變換器控制策略大多采用電壓控制或PI控制策略，其控制精度、穩(wěn)定性及暫態(tài)響應(yīng)速度都難以達(dá)到理想效果[4-8]。文獻(xiàn)[9-10]提出了基于復(fù)合電源的交錯并聯(lián)變換器的R-S-T控制策略，然而文獻(xiàn)只進(jìn)行了仿真研究，而無具體的實驗驗證，得到的結(jié)論缺乏完整性和實用性。

基于此，筆者結(jié)合新能源發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)中直流變換器的需求，選擇多相耦合交錯型磁集成雙向DC-DC變換器，并以能量從高壓側(cè)(如直流母線)傳輸?shù)降蛪簜?cè)(如蓄電池端口)的Buck工作階段為研究對象，首先對多相磁耦合雙向DC-DC變換器主電感進(jìn)行磁耦合研究和磁耦合電感設(shè)計，分析變換器Buck工作模態(tài)，采用小信號建模方式對磁耦合變換器建模并推演出狀態(tài)變量到控制變量的傳遞函數(shù)，根據(jù)三相磁耦合交錯型Buck變換器的開環(huán)特性及傳統(tǒng)PI控制策略的不足，設(shè)計出相應(yīng)的補償網(wǎng)絡(luò)，提出基于補償電流環(huán)的改進(jìn)平均電流控制策略對系統(tǒng)加以優(yōu)化，最后設(shè)計制作實驗樣機(jī)進(jìn)行仿真和實驗，結(jié)果表明，變換器采用改進(jìn)平均電流控制策略較之傳統(tǒng)控制方式，其穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)特性都有明顯提升，同時磁耦合耦合電感的設(shè)計有效降低了輸出電流紋波，改善了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)特性。

1 多相交錯型磁耦合Buck變換器工作模態(tài)及等效電感分析

本文采用的三相磁耦合交錯型雙向DC-DC變換器Buck模式主電路拓?fù)淙鐖D1所示。主電路中的每個開關(guān)管依次相差180°相位角導(dǎo)通和關(guān)斷，交錯并聯(lián)拓?fù)淇梢詽M足光伏儲能系統(tǒng)低壓大電流的要求，保證蓄電池以較大電流快速充電，同時可以減小輸入輸出電流紋波，提高工作頻率，改善變換器的功率密度[11]。

圖1 三通道交錯并聯(lián)磁耦合Buck變換器主拓?fù)?/p>

變換器運行Buck模式，低壓側(cè)為蓄電池單元，高壓側(cè)為新能源發(fā)電系統(tǒng)直流母線，為輸入電壓，開關(guān)頻率為，占空比，功率開關(guān)管依照脈沖信號來控制導(dǎo)通與關(guān)斷。電感采用反向耦合設(shè)計，和和為電感，為互感，耦合系數(shù)，為通道電感電流，為加載在上的端電壓，根據(jù)電路基本原理三相電感繞組的電壓方程為[9]

變換器運行Buck模式，一個開關(guān)周期有6個工作模態(tài)，變換器電壓值有兩種不同形式，為方便表述，設(shè)，，當(dāng)，以電感伏秒平衡即為基礎(chǔ)，結(jié)合式(1)電壓方程得到變換器單通道一個周期內(nèi)六個工作模態(tài)的等效電感[10]。

模態(tài)1：

模態(tài)2、模態(tài)4和模態(tài)6：

(3)

模態(tài)3和模態(tài)5：

一個開關(guān)周期單通道各個工作模態(tài)的電流之和：

(5)

作出第一通道等效電感及穩(wěn)態(tài)電流如圖2所示。

圖2 時等效電感與穩(wěn)態(tài)電流波形圖

耦合情況下，變換器穩(wěn)態(tài)總輸出電流紋波為

(7)

由上文分析可知，穩(wěn)態(tài)電流紋波與耦合度和占空比之間相互關(guān)聯(lián)，因此可通過等效暫態(tài)電感與穩(wěn)態(tài)電感進(jìn)行電感歸一化來尋找到最佳耦合系數(shù)，并以此為依據(jù)進(jìn)行耦合電感設(shè)計[12]。三通道交錯型磁集成雙向變換器Buck模式下其電感任意兩兩耦合的歸一化變化曲線如圖3所示。

圖3 歸一化等效電感、與K和D之間關(guān)系

由圖3可知，等效穩(wěn)態(tài)電感同時和占空比及耦合系數(shù)有關(guān)，而等效暫態(tài)電感僅與耦合系數(shù)有關(guān)?？梢砸源藶橐罁?jù)合理設(shè)計耦合電感的耦合系數(shù)以達(dá)到提高動態(tài)響應(yīng)兼顧改善通道穩(wěn)態(tài)紋波的目的[13]。

2 三相磁耦合交錯型Buck變換器建模

對變換器一個開關(guān)周期內(nèi)四個工作模態(tài)對應(yīng)狀態(tài)方程進(jìn)行小信號建模，得到各通道電感電壓狀態(tài)方程如下：

(9)

整理得到Buck模式下交流小信號動態(tài)模型：

(11)

Buck模式的小信號交流等效電路如圖4所示。將實際開關(guān)等效為理想開關(guān)，用受控電流源代替主開關(guān)管，受控電壓源代替同步整流管[14]。對系統(tǒng)進(jìn)一步簡化計算，設(shè)，對狀態(tài)方程式拉氏變換，得到如下方程式：

(15)

3 基于改進(jìn)平均電流控制的電流調(diào)節(jié)器

變換器采取平均電流控制方案，其控制系統(tǒng)原理如圖5所示。圖中為電壓外環(huán)輸出值，與通過電流環(huán)獲得誤差信號，將其與鋸齒波進(jìn)行比較獲得PWM驅(qū)動信號來控制功率開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷，達(dá)到電壓與電流雙閉環(huán)控制效果。其中電流環(huán)和電壓環(huán)構(gòu)成電流電壓雙閉環(huán)系統(tǒng)。平均電流控制的實現(xiàn)是通過對電流環(huán)節(jié)加入具有積分環(huán)節(jié)的電流調(diào)節(jié)器。

圖5 平均電流控制系統(tǒng)原理圖

圖7 電流補償環(huán)控制框圖

最后得到非線性交流小信號狀態(tài)方程下boost模式下控制電路如圖8所示。

4 仿真與實驗驗證

4.1 Buck工作模式穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)仿真

為驗證筆者提出的控制策略的有效性，構(gòu)建三相Buck變換器進(jìn)行負(fù)載突變仿真實驗，仿真參數(shù)為：高壓側(cè)為28 V，低壓側(cè)14 V，濾波電容o=1 500 μF，電感自感=110 μF，耦合系數(shù)=-0.65、開關(guān)頻率為=100 kHz，對通道輸出電流及輸出電壓分別控制，得到施加電流補償環(huán)前后，輸出電流從0 A突變至1.5 A以及輸出電壓自0 V突變至14 V過程中，系統(tǒng)輸出電流與輸出電壓仿真波形分別如圖9、10所示。

圖8 三相交錯型Buck變換器控制邏輯電路框圖

圖9 施加電流補償環(huán)節(jié)前系統(tǒng)輸出波形

圖10 施加電流補償環(huán)節(jié)后系統(tǒng)輸出波形

對比圖9和圖10可以看出，施加改進(jìn)平均電流控制后超調(diào)有所降低，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

采用本文提出的控制策略，在Buck工作模式下對低壓側(cè)蓄電池進(jìn)行恒壓限流充電控制仿真，設(shè)定恒壓值為10 V、限電流為6 A，得到仿真結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定的鉗位值時，電流就被拉低到接近零，證明控制策略充電鉗位電壓的有效性，可以有效防止蓄電池過充。

為驗證本文提出控制策略的暫態(tài)特性，對輸出側(cè)進(jìn)行負(fù)載突變仿真，結(jié)果如圖12(a)和12(b)所示，分析可知，當(dāng)負(fù)載電阻由2W到0.5W突變，即變換器輸出電流由5 A變?yōu)?0 A過程時，采用本文提出的控制策略較之傳統(tǒng)PI控制，無論在調(diào)節(jié)速度、超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間上都具有更好的效果。

4.2 Buck工作模式穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)實驗

為進(jìn)一步驗證本文提出的控制策略的優(yōu)越性，及耦合電感設(shè)計的有效性，分別采用耦合電感和非耦合電感進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)實驗，實驗樣機(jī)高壓側(cè)電壓36 V，低壓側(cè)電壓為9 V，占空比=0.25，每通道開關(guān)頻率=100 kHz，得到采用耦合和非耦合電感的穩(wěn)態(tài)相電流紋波及開關(guān)管壓降實驗波形如圖13所示，可知，采用耦合電感設(shè)計可有效改善變換器輸出相電感電流紋波，降低損耗，改善穩(wěn)態(tài)特性及轉(zhuǎn)換效率。

圖11 Buck工作模式下的恒壓限電流仿真波形

圖12 動態(tài)仿真試驗對比波形

圖13 采用耦合電感和非耦合電感情況下變換器穩(wěn)態(tài)相電流紋波實驗比較

為了進(jìn)一步驗證變換器采用本文所提出的基于改進(jìn)平均電流控制策略的在暫態(tài)性能方面的優(yōu)越性，采用輸入側(cè)為直流母線，輸出側(cè)為電阻負(fù)載的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對負(fù)載電阻進(jìn)行擾動性突變，控制變換器輸入電壓保持恒定，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使輸出電流由1.8 A突變?yōu)?.2 A，變換器采用兩種不同控制策略的電流輸出波形如圖14(a)、14(b)所示，可知，變換器采用傳統(tǒng)PI控制的電感電流瞬態(tài)響應(yīng)時間為500 μs、超調(diào)為1.1 A，而采用本文所述控制策略時變換器電感電流瞬態(tài)響應(yīng)時間為200 μs、超調(diào)為0.5 A，筆者提出的控制策略在暫態(tài)響應(yīng)速度、超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間上都較之傳統(tǒng)PI控制效果更好。

圖14 Buck模式動態(tài)對比實驗波形

最后，為了驗證變換器Buck模式下采用基于改進(jìn)平均電流控制策略運行的瞬態(tài)響應(yīng)特性和負(fù)載突變情況下工作穩(wěn)定性，采用在2.5 kHz負(fù)載動態(tài)，輸出電流以10 A/μs的變化率在65 A和80 A之間切換情況下變換器的輸出穩(wěn)態(tài)和動態(tài)電流波形如圖15所示，實驗結(jié)果表明，所提出控制策略可以使變換器Buck模態(tài)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)輸出，保證負(fù)載大電流動態(tài)突變情況下良好的工作穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對新能源發(fā)電系統(tǒng)及儲能系統(tǒng)用多相耦合交錯型雙向DC-DC變換器及其控制策略展開研究，首先進(jìn)行交錯控制型磁集成變換器耦合電感設(shè)計研究，給出多相磁耦合電感優(yōu)化設(shè)計準(zhǔn)則，然后基于三通道交錯并聯(lián)磁耦合變換器Buck模式，提出一種加入電流補償環(huán)節(jié)的改進(jìn)平均電流控制策略，通過仿真和實驗，本文提出的控制策略較之傳統(tǒng)的控制方案更能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)性能，以更好地滿足雙向DC-DC變換器響應(yīng)快速性和運行穩(wěn)定性的需求。

[1] LAI J S, NELSON D J. Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles[C] // Proc IEEE and Electron.Taipei, Taiwan, 2007: 766-777.

[2] VEERACHARY M. Power tracking for nonlinear PV sources with coupled-inductor SEPIC converter[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, 2005, 35(41): 1019-1029.

[3] 楊玉崗, 李洪珠.可削減直流偏磁耦合磁件在Buck/ Boost變換器中的應(yīng)用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2005, 25(11): 50-54.

YANG Yugang, LI Hongzhu. Research on the application of an integrated magnetics whose dc-bias can be reduced in DC/DC converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2005, 25(11): 50-54.

[4] 歐陽長蓮, 嚴(yán)仰光. 同步整流Buck 變換器斷續(xù)工作模式建模分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2002, 17(6): 53-58.

OUYANG Changlian, YAN Yangguang. Modeling analysis of synchronous rectifier buck converter in discontinuous conduction mode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2002, 17(6): 53-58.

[5] 張衛(wèi)平. 開關(guān)變換器的建模與控制[M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[6] 楊玉崗, 李濤, 馮本成. 交錯并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器的設(shè)計準(zhǔn)則[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2012, 32(30): 37-45.

YANG Yugang, LI Tao, FENG Bencheng. Design criterion for interleaving and magnetically integrated bidirectional DC/DC converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(30): 37-45.

[7] 楊玉崗, 祁鱗, 李龍華. 交錯并聯(lián)磁耦合 Buck 變換器本質(zhì)安全性輸出紋波電壓的分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(6): 181-188.

YANG Yugang, QI Lin, LI Longhua. Analysis of output ripple voltage of essential safety for interleaving magneticsbuck converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 181-188.

[8] 曹生允, 宋春寧, 林小峰, 等. 用于電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)的PCS控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 31(24): 93-98.

CAO Shengyun, SONG Chunning, LIN Xiaofeng, et al. Study of PCS's control strategy for battery energy storage grid-connected system[J]. Power System Protection and Control, 2014, 31(24): 93-98.

[9] 榮德生, 趙君君, 陳淑涵.基于復(fù)合電源雙向DC/DC變換器R-S-T控制策略[J]. 微電子學(xué)與計算機(jī), 2015, 32(3): 36-40.

RONG Desheng, ZHAO Junjun, CHEN Shuhan. The R-S-T control strategy of hybrid power bi-directional DC/DC converter[J]. Microelectronics and Computer, 2015, 32(3): 36-40.

[10] 榮德生, 代雨晴, 趙君君, 等. R-S-T控制的復(fù)合電源雙向DC/DC變換器設(shè)計[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2015, 43(7): 132-137.

RONG Desheng, DAI Yuqing, ZHAO Junjun, et al. Design of hybrid power bi-directional DC/DC converters based on R-S-T control strategy[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(7): 132-137.

[11]殷桂梁, 李相男, 郭磊, 等. 混合儲能系統(tǒng)在風(fēng)光互補微電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報, 2015, 27(1): 49-53.

YIN Guiliang, LI Xiangnan, GUO Lei, et al. Application of hybrid energy storage system on wind/solar hybrid microgrid[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2015, 27(1): 49-53.

[12] 楊玉崗, 鄒雨霏, 代少杰, 等. DCM模式下交錯并聯(lián)磁集成雙向DC/DC變換器的穩(wěn)態(tài)性能分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(11): 60-70.

YANG Yugang, ZOU Yufei, DAI Shaojie, et al. Steady state performance analysis of the interleaving and magnetically integrated bidirectional DC /DC converter under DCM mode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(11): 60-70.

[13] 楊玉崗, 李濤, 李海光, 等. 交錯并聯(lián)磁耦合雙向DC-DC變換器非對稱耦合電感的研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 147-156.

YANG Yugang, LI Tao, LI Haiguang, et al. Research on asymmetric coupled inductor of interleaving magnetic integration bidirectional DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10):147-156.

[14] 楊玉崗, 葉菁源, 寧浩軒, 等.“E王E”形耦合電感器的設(shè)計及其在交錯并聯(lián)磁耦合雙向DC-DC變換器中的應(yīng)用[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(4): 88-97. YANG Yugang, YE Qingyuan, NING Haoxuan, et al. Design of “E 王 E” shape coupled inductors and its application in interleaving magnetic integrated bidirectional DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(4): 88-97.

(編輯 葛艷娜)

Research of staggered parallel magnetic DC-DC converters based on improved average current control

CHEN Dong1, WANG Lei2, ZHAO Junjun1

(1. College of Electrical and Control Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China; 2. Zhejiang SolaX Power Co., Ltd., Hangzhou 310000, China)

Taking the heterogeneity interlocking DC-DC converter as the object of study, firstly, this paper conducts the magnetic integration research on the main inductance of the converter, and proposes the design criterion of the heterogeneity magnetic coupling inductance through the analysis of normalized equivalent inductance. The research conducts the model building of the Buck mode of the converter with the small-signal, and deduces the transfer function from the state variables to control variables. Secondly, based on both the open-loop features of three-phase magnetic coupling converter and the deficiency of average current control, the control strategy of the improved average current for the bucking current loop is proposed. Finally, through the simulation and experiment, it proves that the proposed new type control strategy can optimize the stable state and transient behavior of the system compared with the traditional control mode. Meanwhile, the design of the magnetic coupling inductance also improves the phase current ripple, as well as enhances the response speed of the transient current of the converter. This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51274118).

staggered parallel; magnetic integration; small signal modeling; improved average current control

10.7667/PSPC151821

國家自然科學(xué)基金資助項目(51274118)

2015-10-15；

2016-05-01

陳 東( 1991-)，男，碩士研究生，研究方向為功率電子變換技術(shù)；E-mail: m15382011401@163.com 王 磊( 1991-)，男，通信作者，碩士，研究方向為電力電子磁技術(shù)，功率電子變換技術(shù)，新能源微電網(wǎng)技術(shù)。E-mail: 15382025383@163.com