基于自適應(yīng)虛擬阻抗的DC-DC變換器均流控制

錢學(xué)偉，姜　波，程志江

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

?

基于自適應(yīng)虛擬阻抗的DC-DC變換器均流控制

錢學(xué)偉，姜波*，程志江

(新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

摘要:在多DC-DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)中，經(jīng)常采用環(huán)流反饋回路中引入虛擬阻抗的均流方法，此方法精度高且成本低，但當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載突變時(shí)均流精度會(huì)降低.針對虛擬阻抗法在負(fù)載突變時(shí)均流精度降低的問題，提出一種自適應(yīng)匹配虛擬阻抗值實(shí)現(xiàn)均流的方法.仿真結(jié)果表明，在負(fù)載突變時(shí)自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法具有很好的均流效果，且不影響并聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出特性.

關(guān)鍵詞:并聯(lián)DC-DC變換器；負(fù)載突變；自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法；均流控制

分布式光伏發(fā)電的儲(chǔ)能系統(tǒng)由多臺蓄電池和多臺超級電容器并聯(lián)組成，形成多組雙向DC-DC變換器并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).這種多組并聯(lián)結(jié)構(gòu)在充放電的過程中會(huì)出現(xiàn)不均流現(xiàn)象，從而使多臺Boost-Buck并聯(lián)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)環(huán)流沖擊等問題[1-3]，因此并聯(lián)均流技術(shù)成為混合儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[4].為了解決并聯(lián)系統(tǒng)中的環(huán)流沖擊，需要在各個(gè)DC-DC變換器模塊之間采用有效的均流措施[5-8].早期的附加環(huán)流電抗器方法收到了一定效果，但會(huì)產(chǎn)生壓降和增加成本的問題.后來出現(xiàn)了虛擬并機(jī)電感方法，此方法雖然降低了成本，但同樣會(huì)產(chǎn)生壓降.

虛擬阻抗均流法[10-13]的出現(xiàn)解決了傳統(tǒng)方法產(chǎn)生壓降的問題，而且有很好的均流精度.此方法在環(huán)流反饋通路中引入虛擬阻抗，通過調(diào)節(jié)虛擬阻抗實(shí)現(xiàn)均流，負(fù)載恒定的情況下均流精度很高，但當(dāng)負(fù)載突變時(shí)均流精度會(huì)降低. 筆者擬提出自適應(yīng)虛擬阻抗均流控制策略，在虛擬阻抗均流法的基礎(chǔ)上，將虛擬阻抗值人為調(diào)節(jié)模式改進(jìn)為自適應(yīng)匹配模式，即通過對虛擬阻抗值的自適應(yīng)調(diào)節(jié)來保證負(fù)載突變時(shí)的均流精度.

1雙向DC-DC變換器原理

Boost-Buck型雙向DC-DC變換器(即雙向半橋變換器)也稱升降壓式變換器[9]，是非隔離型雙向DC-DC變換器的一種，可以看成由Boost變換器和Buck變換器反并聯(lián)而成，是電流雙象限運(yùn)行的直流變換器，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　雙向Boost-Buck變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1　Circuit topology of bidirectional Boost-Buck converter

由圖1可見，電路可視為由T1和D2組成的Buck電路和T2和D1組成的Boost電路的組合.電能由電源輸向負(fù)載時(shí)，T1和D2工作，輸出電流的平均值Io>0，電路工作于第一象限；相反，當(dāng)有源負(fù)載向電源反饋能量時(shí)，T2和D1工作，Io<0， 電路工作于第二象限.

2Boost-Buck變換器并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流特性分析

儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出端與直流母線連接，為了保證直流母線電壓穩(wěn)定，則要求Boost-Buck變換器的輸出電壓穩(wěn)定.圖2為采用雙閉環(huán)控制的Boost-Buck變換器控制框圖.

圖2　Boost-Buck變換器控制框圖Fig.2　Boost-Buck converter control block diagram

在Uin不變時(shí)，理想的Boost-Buck變換器具有比例放大功能，但它只對調(diào)制波進(jìn)行線性放大，K為比例系數(shù).圖2中，C(s)為濾波電容，ic為電容電流；Uref為參考電壓，Uo為Boost-Buck變換器模塊的輸出電壓、Ua為Boost-Buck變換器理想輸出電壓、Ue為開關(guān)管偏差電壓；G1(s)和G2(s)均采用PI調(diào)節(jié)，Gvc(s)為電容電流采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，Gv(s)為輸出電壓采樣網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù).

兩臺Boost-Buck變換器并聯(lián)電路如圖3所示，其中兩個(gè)模塊的控制參數(shù)都與主電路參數(shù)一致.

圖3　兩臺Boost-Buck變換器并聯(lián)電路圖Fig.3　Parallel circuit diagram of two Boost-Buck converter

當(dāng)兩個(gè)模塊均采用圖2所示的控制方案時(shí)，各Boost-Buck變換器模塊傳遞函數(shù)為

(1)

其中：R為Boost-Buck變換器模塊的等效負(fù)載電阻.閉環(huán)特征方程為

令

則Boost-Buck變換器模塊的閉環(huán)等效輸出阻抗為

開環(huán)時(shí)To(s)=1，令Lo(s)=KG2(s)，可知開環(huán)等效輸出阻抗為Zo(s)=Lo(s)/To(s).

根據(jù)式(1)和圖3，可得并聯(lián)系統(tǒng)的輸出方程為

(2)

其中：Urav(s)為并聯(lián)系統(tǒng)的平均參考電壓；Ueav(s)為平均偏差電壓；Io(s)為并聯(lián)系統(tǒng)的輸出電流.由式(1)～(2)可得兩個(gè)模塊間的環(huán)流Ihi(s)為

(3)

根據(jù)式(1)～(3)，可得開環(huán)環(huán)流為

(4)

由式(3)～(4)可知，環(huán)流與各模塊的正弦參考電壓與偏差電壓的差異有關(guān).硬件參數(shù)差異是不可調(diào)的，要想抑制環(huán)流則需要調(diào)節(jié)Uref(s)，但是由于反饋的存在，閉環(huán)等效輸出阻抗Zoc(s)遠(yuǎn)小于開環(huán)等效輸出阻抗Zo(s)，這反而不利于并聯(lián)系統(tǒng)的環(huán)流抑制，但若此時(shí)引入虛擬環(huán)流阻抗便可解決這個(gè)問題.

3虛擬環(huán)流阻抗對Boost-Buck變換器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流的抑制

在電容電流雙閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上外加環(huán)流反饋，并在環(huán)流反饋回路中引入虛擬環(huán)流阻抗，通過調(diào)節(jié)虛擬環(huán)流阻抗來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)系統(tǒng)的均流.加入虛擬阻抗后的Boost-Buck變換器控制框圖如圖4所示.

圖4　加入虛擬阻抗后的Boost-Buck變換器控制框圖Fig.4　Control block diagram of Boost-Buck converter after adding virtual impedance

由圖4可知，并聯(lián)系統(tǒng)的輸出特性方程為

(5)

由式(5)可知，在Boost-Buck變換器的雙閉環(huán)控制外，引入虛擬環(huán)流阻抗的環(huán)流反饋不影響整個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)的輸出特性.由圖4和式(5)可知，引入環(huán)流反饋后，并聯(lián)系統(tǒng)各模塊的環(huán)流為

(6)

由式(6)可知，式中分母里的Loc(s)和KG2(s)均為不變值，調(diào)節(jié)引入的虛擬環(huán)流阻抗Zv到合適且足夠大時(shí)，可使并聯(lián)系統(tǒng)達(dá)到均流.

4自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法

虛擬阻抗可配置為阻性或感性，該文選擇純阻性的虛擬阻抗設(shè)置，以獲得較高的均流精度[11].由于負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，虛擬阻抗值需要重新配置才能保證均流效果不變，為了應(yīng)對這種情況筆者提出了自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法.

平均環(huán)流IH(i)的表達(dá)式為

(7)

其中：m為周期Ts內(nèi)的采樣次數(shù)，一般取為5～10.

通過比較來確定是否發(fā)生電流不均衡現(xiàn)象，電流不均衡的判別依據(jù)為

(8)

其中：ΔIH為平均環(huán)流閾值.

考慮到虛擬阻抗值調(diào)節(jié)的速度問題，引入速度因子

(9)

當(dāng)出現(xiàn)電流不均衡情況時(shí)，需要通過調(diào)整虛擬阻抗Zv值，從而調(diào)整傳遞函數(shù)為G2(s)的PI控制器輸入端的電流參考值， Zv的初始值Zv(0)=0，Zv的表達(dá)式為

(10)

其中：參數(shù)0.5的取值是根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)確定的，這樣取值是為了防止速度因子λ較大時(shí)，Zv在其最佳值附近出現(xiàn)振蕩.

傳遞函數(shù)為G2(s)的PI控制器輸入端的電流參考值的增量ΔIref(i)為

(11)

如圖4所示，ΔIref(i)經(jīng)過傳遞函數(shù)為G2(s)的PI控制器加到PWM發(fā)生器上，從而改變并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流大小.自適應(yīng)過程即當(dāng)并聯(lián)系統(tǒng)出現(xiàn)不均流時(shí)，判斷環(huán)流大小是呈上升還是下降的趨勢，得到相應(yīng)的速度因子λ，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)節(jié)虛擬阻抗值，使之增大或減小達(dá)到最優(yōu)值.自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法的流程如圖5所示.

圖5　自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法的流程Fig.5　Flowchart of adaptive virtual impedance matching method

5仿真實(shí)驗(yàn)

在Simulink中搭建了如圖3所示的兩臺Boost-Buck變換器并聯(lián)仿真模型. 圖3中C1和C2均為1 mF，電感值L1=0.4 H，L2=0.5 H，閾值ΔIH為0.05 A.設(shè)額定容量為5 kVA，載波頻率為1 kHz，筆者進(jìn)行了Boost-Buck變換器的均流仿真試驗(yàn).圖6、7分別為采用虛擬阻抗法和自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法的各模塊輸出電流及環(huán)流的波形.

圖6　采用虛擬阻抗法的輸出電流及環(huán)流Fig.6　Output current and circulating current in the virtual impedance method

圖7　采用自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法的輸出電流及環(huán)流Fig.7　Output current and circulating current in the adaptive virtual impedance matching method

從圖6可以看出，負(fù)載突變時(shí)采用虛擬阻抗法的均流效果較差，環(huán)流高達(dá)2.5 A，遠(yuǎn)大于閾值0.05 A.從圖7可以看出，穩(wěn)態(tài)環(huán)流小于閾值0.05 A；負(fù)載Z=20 Ω時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到均流狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)態(tài)環(huán)流為0.008 A；當(dāng)t=0.5 s時(shí)負(fù)載發(fā)生突變，此時(shí)Z=10 Ω，突變瞬間系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流，之后很快重新實(shí)現(xiàn)均流，穩(wěn)態(tài)環(huán)流為0.005 A；當(dāng)t=1.2 s負(fù)載變?yōu)?0 Ω時(shí)，系統(tǒng)同樣很快實(shí)現(xiàn)了均流.分析圖6、7可知：對比虛擬阻抗法，自適應(yīng)虛擬阻抗匹配法能更好地解決負(fù)載突變的均流問題.

6結(jié)束語

針對儲(chǔ)能系統(tǒng)中的雙向DC-DC變換器并聯(lián)系統(tǒng)環(huán)流問題，筆者提出了基于自適應(yīng)虛擬阻抗的均流控制策略.通過虛擬阻抗的自適應(yīng)匹配，在不改變并聯(lián)系統(tǒng)輸出外特性的前提下，能對DC-DC變換器主電路參數(shù)差異引起的環(huán)流表現(xiàn)出很好的抑制作用，特別是當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，仍能很好地實(shí)現(xiàn)均流.此方法為分布式光伏發(fā)電混合儲(chǔ)能系統(tǒng)DC-DC變換器的均流控制提供了一種可行的解決方案.

參考文獻(xiàn)：

[1]江國強(qiáng), 王智靈, 何淼, 等. 并聯(lián)冗余DC-DC模塊蓄電池充電均流方法[J]. 電子技術(shù), 2010, 9: 53， 63-66.

[2]歐朝陽, 邊蘭成. 大容量UPS不間斷電源中環(huán)流產(chǎn)生的原因分析及對策[J]. 寧夏電力, 2002, S1: 74-76.

[3]陳良亮, 肖嵐, 龔春英, 等. 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)直流環(huán)流產(chǎn)生原因及其檢測與抑制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2004, 9: 60-65.

[4]MARWALI M N, JUNG J W, KEYHANI A. Stability analysis of load sharing control for distributed generation systems[J]. IEEE Trans Energy Conversion, 2007, 22 (3): 737-745.

[5]林新春, 段善旭, 康勇, 等. UPS無互聯(lián)線并聯(lián)中基于解耦控制的下垂特性控制方案[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23 (12): 117-122.

[6]于瑋, 徐德鴻, 周朝陽. 并聯(lián)UPS系統(tǒng)均流控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2008, 1: 63-67.

[7]張宇, 段善旭, 康勇, 等. 逆變器并聯(lián)系統(tǒng)中諧波環(huán)流抑制的研究[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 12: 67-72.

[8]謝孟, 蔡昆, 勝曉松, 等. 400 Hz中頻單相電壓源逆變器的輸出控制及其并聯(lián)運(yùn)行控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 6: 78-82.

[9]羅耀華, 馬威. 雙向DC-DC變換器并聯(lián)仿真[J]. 應(yīng)用科技, 2010, 4: 47-51.

[10]張宇, 余蜜, 劉方銳, 等. 模塊化UPS采用虛擬阻抗的瞬時(shí)均流控制方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 21: 8-14.

[11]于瑋, 徐德鴻. 基于虛擬阻抗的不間斷電源并聯(lián)系統(tǒng)均流控制[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 24: 32-39.

[12]劉旭光, 闕連元, 劉驥, 等. 基于虛擬阻抗的無線并聯(lián)逆變控制策略[J]. 電源技術(shù), 2015, 1: 151-154.

[13]GUERRERO J M, HANG L J, UCEDA J. Control of distributed uninterruptible power supply systems[J]. IEEE Trans Industry Electronics, 2008, 55 (8): 2845-2859.

(責(zé)任編輯鄭小虎)

doi:10.3969/j.issn.1000-2162.2016.04.011

收稿日期：2015-10-11

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51567022)

作者簡介：錢學(xué)偉(1989-)，男，湖南桃源人，新疆大學(xué)碩士研究生；*姜波(通信作者)，新疆大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，E-mail:jiangbo@xju.edu.cn.

中圖分類號：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1000-2162(2016)04-0067-06

Load-sharing control of DC-DC converter based on adaptive virtual impedance

QIAN Xuewei, JIANG Bo*, CHENG Zhijiang

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

Abstract:Introducing in the virtual impedance method into circulating current feedback loop is commonly used in multiple DC-DC converter parallel system, which has high accuracy and low cost. But when the system load mutates, current sharing precision will decrease. Aiming at the precision problem, an adaptive matching method of virtual impedance was proposed. The simulation results of the adaptive virtual impedance method showed effectiveness with the load mutation, meanwhile did not affect the stability and output characteristics of the parallel system.

Keywords:parallel DC-DC converter; load mutation; virtual impedance matching method; current-sharing control