基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)DC-DC變換器控制策略的研究

白迪，曹華鋒，申愛兵（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

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基于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)DC-DC變換器控制策略的研究

白迪，曹華鋒，申愛兵
（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

摘要：本文針對(duì)混合儲(chǔ)能蓄電池充放電頻率問題，提出了蓄電池單電流環(huán)與自適應(yīng)電流滯環(huán)控制相結(jié)合的控制策略。該策略利用自適應(yīng)電流滯環(huán)控制，避免蓄電池小功率充放電，降低了蓄電池的充放電頻率，同時(shí)能夠防止超級(jí)電容負(fù)荷超載。針對(duì)直流母線電壓穩(wěn)定的控制，超級(jí)電容采用帶有功率前饋的雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)采用電流控制，外環(huán)采用電壓控制，用以平抑功率的高頻波動(dòng)，能夠更好地維持直流母線電壓的穩(wěn)定。仿真結(jié)果表明該控制策略可行有效。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；混合儲(chǔ)能；蓄電池；超級(jí)電容；DC-DC變換器；滯環(huán)控制；功率前饋；雙環(huán)控制

0 引言

當(dāng)前，隨著全球資源緊缺，微電網(wǎng)逐漸成為熱門，儲(chǔ)能部分作為微電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，國內(nèi)外針對(duì)儲(chǔ)能容量的設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能方式以及儲(chǔ)能充放電的控制策略進(jìn)行了不同程度的研究。文獻(xiàn) [1] 采用了蓄電池作為微電網(wǎng)的儲(chǔ)能設(shè)備，設(shè)計(jì)了蓄電池外環(huán)電壓控制，內(nèi)環(huán)電流控制的雙環(huán)控制策略，由此可以穩(wěn)定微電網(wǎng)直流母線的電壓，但是單一的儲(chǔ)能無法滿足微電網(wǎng)對(duì)于穩(wěn)定性的要求。文獻(xiàn) [2] 建立了蓄電池與超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能，提出了混合儲(chǔ)能的控制策略，顯示了混合儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，但是沒有考慮到電池狀態(tài)，會(huì)對(duì)電池壽命造成一定的影響。文獻(xiàn)[3] 利用雙層控制增加了對(duì)電池電荷狀態(tài)的判斷，并且計(jì)算了電池等效壽命，從而防止了電池因過度充放電造成的損壞。本文為進(jìn)一步提高微電網(wǎng)直流母線電壓穩(wěn)定性，提出了帶功率前饋的控制策略，在此基礎(chǔ)上考慮到蓄電池充放電次數(shù)與壽命有著極大的關(guān)系，而超級(jí)電容有著無限大充放次數(shù)的理論，從而設(shè)計(jì)了控制策略進(jìn)一步減少蓄電池的充放電次數(shù)，以延長蓄電池的使用壽命。

1 混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)

由蓄電池跟超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前級(jí)分為三類[4]：直接并聯(lián)結(jié)構(gòu)、單 DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及雙 DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)。在本文中，采用雙DC/DC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)中，蓄電池和超級(jí)電容分別經(jīng)過功率控制器與直流母線并聯(lián)，它們的充放電功率分別由兩個(gè)控制器獨(dú)立控制，因此可以精確控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電來響應(yīng)外部系統(tǒng)的需求。后級(jí)由雙向 DC/AC 換流器來連接儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)交流母線，其具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1　混合儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)

2 DC/DC 變換器數(shù)學(xué)模型

直流側(cè)的控制基于雙向 DC/DC 電路的電流環(huán)控制[5]，作為充放電控制器，起到傳遞能量的作用。首先，我們對(duì)雙向半橋變換器數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。圖 2 所示為雙向半橋變換器電路結(jié)構(gòu)。根據(jù)雙向半橋變換器兩個(gè)工作模式下所得公式，經(jīng)過狀態(tài)平均法，可以得到大信號(hào)平均方程：

式中，α 為占空比。由于混合儲(chǔ)能中設(shè)計(jì)由超級(jí)電容補(bǔ)償有功功率的高頻分量，因此超級(jí)電容含有兩倍頻交流分量，當(dāng)系統(tǒng)輸出存在兩倍頻功波動(dòng)時(shí)，令，可得到：

把式（3）和（4）代入式（1）、（2）并線性化后，忽略母線交流分量的影響就可以得到：

圖 2　DC/DC 變換器結(jié)構(gòu)

3 直流側(cè)控制策略

3.1 混合儲(chǔ)能中的蓄電池控制策略[6]

由于直流母線的電壓控制速度比電流控制速度慢很多，因此可以忽略直流母線電壓的動(dòng)態(tài)擾動(dòng)，直接利用式（5）可以設(shè)計(jì)出電池電流環(huán)控制。如圖 3 所示，策略為：蓄電池用來平抑 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時(shí)有功功率的低頻部分，因此采用低通濾波器進(jìn)行濾波得到平滑部分，蓄電池電流真實(shí)值與計(jì)算所得的參考值經(jīng) PI 轉(zhuǎn)換再經(jīng)PWM 得到信號(hào)后控制 DC/DC 變換器的工作狀態(tài)；另一側(cè)經(jīng)測(cè)得的當(dāng)前超級(jí)電容的狀態(tài)量及蓄電池端電壓通過計(jì)算得到比較器的參考電流值，與電流環(huán)的電流參考值進(jìn)入滯環(huán)控制器，判斷是否滿足蓄電池的充放電條件，得到相應(yīng)信號(hào)后經(jīng)過驅(qū)動(dòng)直接控制蓄電池的充放電狀態(tài)。

圖 3 中： P 為 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時(shí)有功功率；1/(1+sTf) 為低通濾波；Tf為時(shí)間濾波，用來平滑瞬時(shí)功率由蓄電池進(jìn)行平衡；Gb,id(s) 為蓄電池電感電流對(duì)占空比的小信號(hào)傳遞函數(shù)；PWM 的等效增益取值。電流環(huán)遞函數(shù)表達(dá)式為：

把滯環(huán)比較器參考值 i*設(shè)為 0，自適應(yīng)滯環(huán)計(jì)算器的計(jì)算表達(dá)式為：

式中， SOCsc為超級(jí)電容的當(dāng)前狀態(tài)，L 與Δi 根據(jù)儲(chǔ)能實(shí)際容量所定，滯環(huán)比較器帶寬為2Δib,ref。由該策略可以做到，系統(tǒng)需要蓄電池放電時(shí), 則為正值，若 SOCsc-0.5 的值為正說明超級(jí)電容處于充能較高狀態(tài)，可以放寬比較器的寬度，讓超級(jí)電容平抑更多功率，蓄電池處于停止工作時(shí)間則越長，反之亦然。該策略可有效保證蓄電池的使用壽命。

圖 3　蓄電池的控制

3.2 混合儲(chǔ)能中的超級(jí)電容控制策略[10-11]

超級(jí)電容具有充放電速度快，循環(huán)充放電次數(shù)多的特點(diǎn)，在系統(tǒng)中起著快速調(diào)節(jié)的作用?？刂撇呗灾?，超級(jí)電容器負(fù)責(zé)分擔(dān)后級(jí)變流器輸出功率 P中的高頻波動(dòng)分量，因?yàn)槠潆娏鳝h(huán)路控制為毫秒級(jí)的控制，采用的是間接控制的方法，整個(gè)系統(tǒng)的前后側(cè)功率的不平衡將會(huì)導(dǎo)致直流母線電壓的波動(dòng)，所以只要控制穩(wěn)壓電容兩端電壓的穩(wěn)定性，前后級(jí)功率自然能夠保持平衡。蓄電池通過功率的 PI 雙閉環(huán)控制，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)低頻趨勢(shì)性功率的跟蹤，所以只要控制直流母線電壓穩(wěn)定，超級(jí)電容就能分擔(dān)其中的高頻分量。

微電網(wǎng)直流母線電壓的穩(wěn)定是微網(wǎng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵，因此加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減少電壓穩(wěn)態(tài)誤差，是控制的核心。本文引入功率前饋控制，其中功率前饋電流幅值指令為：

圖 4 中：鑒于半導(dǎo)體元件的消耗，增加 Ksc,v為功率前饋比例值，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際消耗給出。為功率前饋量，Δi*為填補(bǔ)蓄電池部分功率的擾動(dòng)量，當(dāng)時(shí)，反之Δi*=0。DC/DC 變換器輸出電流為系統(tǒng)的前饋量，并不影響系統(tǒng)穩(wěn)定，因此不必考慮，只需分析雙閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性即可。超級(jí)電容內(nèi)環(huán)控制部分與蓄電池部分相似，不加以重復(fù)。為電壓外環(huán)控制傳遞函數(shù)，對(duì)于超級(jí)電容的電壓外環(huán)控制，首先對(duì)直流母線的電壓建立數(shù)學(xué)模型[7-9]。對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率平衡有：

圖 4　帶有功率前饋的超級(jí)電容雙環(huán)控制

考慮電感電容上的瞬時(shí)功率則有：

令 DC/AC 換流器與直流母線交換的瞬時(shí)功率、直流母線電壓的平方，直流母線電流分別為：

把式（13）代入式（12），忽略超級(jí)電容電壓擾動(dòng)，線性化可以得到：

由式（15）可以設(shè)計(jì)超級(jí)電容電壓外環(huán)控制策略，如圖 5 所示。圖 5 中各項(xiàng)傳遞函數(shù)可由式（14)、(15）求得：

圖 5　超級(jí)電容電壓外環(huán)控制

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證上述控制策略的正確性，搭建MATLAB/SIMLINK 的微電網(wǎng)仿真模型。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，直流母線側(cè)額定電壓為 500 V，交流側(cè)額定線電壓為 380 V，超級(jí)電容額定電壓為 180 V，蓄電池額定電壓為 250 V。截取儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行的 1 s時(shí)間段內(nèi)分析，結(jié)果見圖 6。

圖 6　滯環(huán)比較器的輸出信號(hào)以及自適應(yīng)比較器的帶寬值

在 1～1.05 s 時(shí)間內(nèi)設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行脫網(wǎng)運(yùn)行，1.05 s 之后恢復(fù)并網(wǎng)。由圖 7 兩種策略的對(duì)比可以看出：在 0.3～0.7 s 時(shí)間段內(nèi)，采用滯環(huán)控制的蓄電池出現(xiàn)了充放電功率為 0 的情況；而未采用滯環(huán)控制策略的蓄電池依舊做著小功率充放電。由此可知，此策略對(duì)減少蓄電池的充放電頻率有很大作用。由圖 8 對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)的超級(jí)電容平抑的功率可知，采用滯環(huán)控制后，蓄電池未平抑的功率部分全部由超級(jí)電容彌補(bǔ)。由圖 6 中的帶寬可見，在該段時(shí)間內(nèi)帶寬是變化的；但是由于在滯環(huán)控制前加入了自適應(yīng)滯環(huán)寬帶計(jì)算器，可以根據(jù)超級(jí)電容當(dāng)前狀態(tài)隨時(shí)做出調(diào)整，避免了超級(jí)電容出現(xiàn)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于延長超級(jí)電容壽命也有重要作用。

圖 7　未采用（上）和采用（下）滯環(huán)控制的蓄電池平抑功率波形

圖 8　未采用（上）和采用（下）滯環(huán)控制的超級(jí)電容功率波形

由圖 9 可見，微電網(wǎng)在 1～1.05 s 時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)脫網(wǎng)故障，回復(fù)并網(wǎng)時(shí)由于沖擊電流的影響直流母線電壓出現(xiàn)劇烈震蕩。當(dāng)未采用功率前饋時(shí)，由于控制環(huán)節(jié)反饋時(shí)間延遲以及誤差等原因，直流母線的電壓波動(dòng)最高可達(dá)到 1000 V 左右，波動(dòng)時(shí)間0.7 s。而采用功率前饋的電壓波動(dòng)明顯得到改善，最高電壓不到 800 V，波動(dòng)時(shí)間 0.25 s。由此可得出，在超級(jí)電容端 DC-DC 變換器采用功率前饋，不僅可以減小直流母線電壓的震蕩幅度，而且可以減少震蕩時(shí)間，縮短恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間，對(duì)于微電網(wǎng)并離網(wǎng)平滑切換有著重要作用。

圖 9　未采用（左）和采用（右）功率前饋的直流母線電壓波形

如圖 10 所示，由超級(jí)電容端 DC-DC 變換器S1、S2 兩個(gè)輸入端接收的信號(hào)，可以看出超級(jí)電容頻繁充放電切換，對(duì)于穩(wěn)定直流母線電壓有著重要作用。

圖 10　DC-DC 變換器接收的信號(hào)

5 結(jié)論

要保證微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，儲(chǔ)能是關(guān)鍵，因此在混合儲(chǔ)能控制中，針對(duì)直流母線電壓的穩(wěn)定性，提出了帶有功率前饋的雙閉環(huán)控制，防止出現(xiàn)由于反饋不及時(shí)造成的功率平抑滯后從而引起母線電壓波動(dòng)的問題。在儲(chǔ)能元件中，為了減少蓄電池一些不必要的電能充放，增加了帶有自適應(yīng)帶寬計(jì)算的電流滯環(huán)比較器，不僅可以有效延長蓄電池使用壽命，而且防止了超級(jí)電容的超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。本文所提策略把混合儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步發(fā)揮出來了。仿真結(jié)果也驗(yàn)證了其可行性。

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Research on the control strategy of DC-DC converter based on hybrid energy storage system

BAI Di, CAO Huafeng, SHEN Aibing
(Institute of Electric Power, Shenyang Institute of Engineering, Shenyang Liaoning 110136, China)

Abstract:The control strategy of single current loop of battery combined with self-adaptive current hysteresis control is put forward in view of the problem that battery charges and discharges frequently in the hybrid energy storage system. By using the self-adaptive current hysteresis control, the strategy can stabilize the power in low frequency fl uctuations, avoid charging and discharging the battery in low-power, and prevent super capacitor overloading. In order to stabilize the DC bus voltage, the super capacitor adopts a power feed-forward double loop control mode which consists of inner current loop and outer voltage loop to stabilize the high frequency power fl uctuation and maintain the DC bus voltage stability. The simulation results show that the control strategy is feasible and effective.

Key words:micro-grid; hybrid energy storage; battery; super capacitor; DC-DC converter; hysteresis loop control; power feed-forward; double loop control

基金項(xiàng)目：沈陽市科技局集合項(xiàng)目（F14-231-1-21）

收稿日期：2015-12-07

中圖分類號(hào)：TM 912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-0847(2016)02-64-05