基于三端口變換器的混合式電源控制策略研究

任曉霞，夏繼宏，林歆悠，楊文耀

（1. 重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院 重慶市高校新型儲(chǔ)能器件及應(yīng)用工程研究中心，重慶 402160；2. 福州大學(xué) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350000）

研究與試制

基于三端口變換器的混合式電源控制策略研究

任曉霞1，夏繼宏1，林歆悠2，楊文耀1

（1. 重慶文理學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院 重慶市高校新型儲(chǔ)能器件及應(yīng)用工程研究中心，重慶 402160；2. 福州大學(xué) 機(jī)械工程及其自動(dòng)化學(xué)院，福建 福州 350000）

結(jié)合了超級(jí)電容器和蓄電池的混合式電源，能充分發(fā)揮超級(jí)電容器功率密度大和蓄電池的能量密度大的優(yōu)點(diǎn)，大幅度提高電源性能，滿足電動(dòng)汽車、光伏等具有脈動(dòng)性負(fù)載的要求。對(duì)混合式電源中將超級(jí)電容器和蓄電池連接起來的功率變換器進(jìn)行了研究，用帶有雙向三端口DC-DC變換器替代了常用的單端口雙向DC-DC變換器，并提出了一種適用于雙向三端口DC-DC變換器能兼顧電池電性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略。在MATLAB仿真環(huán)境下，建立了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)其充放電情況進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了變換器結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性。

混合式電源；蓄電池；超級(jí)電容器；三端口功率變換器；脈動(dòng)性負(fù)載；控制策略

隨著電動(dòng)汽車、光伏、風(fēng)電等新能源技術(shù)的發(fā)展，能夠完成大量能量?jī)?chǔ)備并能滿足負(fù)載快速脈動(dòng)變化的儲(chǔ)能系統(tǒng)日益成為研究的熱點(diǎn)[1-2]。目前，單種儲(chǔ)能元件很難達(dá)到這個(gè)要求，蓄電池-超級(jí)電容器混合式電源，由于可通過超級(jí)電容器功率密度大的特點(diǎn)承擔(dān)系統(tǒng)脈動(dòng)，通過蓄電池能量密度大的特點(diǎn)滿足系統(tǒng)大量?jī)?chǔ)能要求而受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注。

目前針對(duì)蓄電池-超級(jí)電容器混合式電源的研究很多，主要集中在對(duì)其功率變換器及控制策略方面的研究。用于蓄電池-超級(jí)電容器的功率變換器主要分為單端口和多端口。單端口的功率變換器的研究熱點(diǎn)是雙向DC-DC變換器。如文獻(xiàn)[3-5]所述，單端口 DC-DC變換器通常采用電力電子直流斬波電路，通過控制器切換斬波電路中電力電子器件的通斷實(shí)現(xiàn)蓄電池-超級(jí)電容器之間以及與輸出總線之間的能量流動(dòng)，其在應(yīng)用時(shí)多采用蓄電池或者超級(jí)電容器中的某個(gè)儲(chǔ)能器件與負(fù)載總線直接相連的方式，這就要求與總線直接相連的蓄電池和超級(jí)電容器的電壓等級(jí)必須與總線相同。多端口功率變換器分為隔離型和非隔離型。非隔離型多端口功率變換器與單端口相似，通常采用電力電子的 BUCK、BOOST以及BUCK-BOOST電路，但其一般不用于高升壓裝置[6-8]。而隔離型多端口功率變換器由于含有變壓器，因此可用于高升壓裝置，但其常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是半橋和全橋結(jié)構(gòu)[9-11]，器件較多，控制復(fù)雜，系統(tǒng)的成本較高。

在控制策略研究方面，目前主要集中于傳統(tǒng)的線性控制策略和現(xiàn)代的模糊控制策略。文獻(xiàn)[12]中結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)采用單端口DC-DC變換的混合式電源制定了控制策略，研究結(jié)果表明當(dāng)算法收斂性較好時(shí)，其控制效果很好，但是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身的收斂性不好，容易陷入局部極小值的問題。結(jié)合其他的文獻(xiàn)，總體而言，模糊控制策略在某種程度上，或多或少存在由于專家?guī)?、收斂性等引起的各種問題。相對(duì)而言，傳統(tǒng)線性控制策略比較成熟。本文在原有的多端口非隔離型 BUCK-BOOST變換電路優(yōu)化的基礎(chǔ)上，采用傳統(tǒng)的線性PID算法設(shè)計(jì)三端口功率變換器的雙閉環(huán)控制策略，并通過MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1 三端口雙向DC-DC功率變換器概述

功率變換器是蓄電池-超級(jí)電容器混合式電源中連接兩個(gè)儲(chǔ)能器件的橋梁，其作用至關(guān)重要。目前常用的混合式電源 DC-DC變換器與儲(chǔ)能器件的結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。其中圖1（a）和（b）是采用單端口的 DC-DC變換器與超級(jí)電容器或蓄電池相連，圖1（c）是采用兩個(gè)單端口DC-DC分別對(duì)超級(jí)電容器和蓄電池進(jìn)行控制。雖然圖1（c）的連接方式會(huì)讓系統(tǒng)的運(yùn)行更加靈活，但是由于采用兩個(gè)獨(dú)立的單端口 DC-DC變換器會(huì)使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制變得極為復(fù)雜，同時(shí)也增加了成本。本文擬采用圖1（d）所示的三端口DC-DC變換器結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能器件的連接，其具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示。相對(duì)于獨(dú)立的單端口DC-DC變換器，該變換器在實(shí)現(xiàn)兩個(gè)獨(dú)立變換器共同作用效果的同時(shí)，通過共用電力電子開關(guān)及電感讓電路變得更加簡(jiǎn)潔緊湊，且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制。

圖1 混合式電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Construction of hybrid power system

圖2所示的三端口BUCK-BOOST變換器電路，圖中S1、VD1、S3、VD3構(gòu)成雙向功率變換器，超級(jí)電容器既可以向負(fù)載升壓供電，也可以通過功率變換器接受蓄電池對(duì)其降壓充電以及吸收負(fù)載回饋的能量。蓄電池通過與超級(jí)電容器共用電感L2和開關(guān)管S3，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容器的充電以及對(duì)負(fù)載的升壓供電。

2 混合式電源控制策略

混合式電源的控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)負(fù)載兩端母線電壓恒定，由超級(jí)電容器承擔(dān)脈動(dòng)負(fù)載的瞬時(shí)功率；蓄電池采用恒流輸出方式，蓄電池輸出電流的大小是負(fù)載電流的平均值。其采用的控制策略總體系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖2 三端口DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of three-port DC-DC converter

圖3 混合式電源系統(tǒng)控制原理框圖Fig.3 Control principle diagram of hybrid power system

本設(shè)計(jì)總體控制策略是通過采集總線電壓、超級(jí)電容器以及蓄電池的端電壓、電流，通過PID控制算法，采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制算法。具體的實(shí)現(xiàn)如圖3所示，主要通過三個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)。其中，蓄電池放電控制主要通過采用控制器1采集系統(tǒng)總線電壓 Vbus與給定的總線電壓值進(jìn)行比較，控制雙向變換器工作于穩(wěn)壓模式，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定。蓄電池的放電電流控制，主要通過控制器3采集蓄電池端壓和放電電流，通過負(fù)載功率分量檢測(cè)環(huán)節(jié)得到低頻功率信號(hào)，得出蓄電池放電電流參考值，通過與蓄電池電流值作比較，調(diào)節(jié)PWM脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載電流大小的變化調(diào)節(jié)蓄電池放電電流的大小的目標(biāo)；同時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的端電壓，當(dāng)蓄電池過放時(shí)，蓄電池已經(jīng)不能再維持母線電壓穩(wěn)定，應(yīng)斷開負(fù)載，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。對(duì)超級(jí)電容器的控制，主要通過控制器2實(shí)現(xiàn)，采集超級(jí)電容器的充放電電流，根據(jù)負(fù)載功率高頻分量檢測(cè)環(huán)節(jié)的高頻功率信號(hào)，得出超級(jí)電容器充放電電流參考值，通過與超級(jí)電容器電流值作比較，實(shí)現(xiàn) PWM脈沖寬度調(diào)節(jié)，提供或吸收突變功率的高頻部分，給蓄電池提供緩沖。其具體控制策略框圖如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)控制器1的控制框圖Fig.4 Block diagram of the controller 1

圖5 控制器2和3的控制框圖Fig.5 Block diagram of the controller 2 and 3

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該控制策略在基于三端口 DC-DC變換器的混合式儲(chǔ)能電源上的正確性和可行性，本文使用MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)的仿真模型，如圖6，圖7，圖8和圖9所示。其中圖6是系統(tǒng)的主電路圖，storage模塊是混合式儲(chǔ)能模塊，其具體的內(nèi)部封裝電路如圖7所示。圖6和圖7中所示，為了模擬負(fù)載的變化對(duì)系統(tǒng)充放電的影響，采用“受控電壓源”模塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，而超級(jí)電容器為等效電路模型。圖8為部分控制系統(tǒng)MATLAB仿真模型。

圖6 MATLAB仿真主電路圖Fig.6 Main circuit of the MATLAB simulation

圖7 MATLAB仿真儲(chǔ)能單元電路圖Fig.7 Storage block circuit of MATLAB simulation

圖8 MATLAB仿真電路控制器部分環(huán)節(jié)Fig.8 Part of the controller of MATLAB simulation circuit

為了驗(yàn)證該控制策略在三端口 DC-DC變換器中的可行性，本文設(shè)定母線電壓直流電壓參考值為48 V，負(fù)載電阻為7.68 Ω，負(fù)載功率300 W，蓄電池參數(shù)為16 V，60 Ah，超級(jí)電容器參數(shù)為1 F，初始電壓為30 V。受控電壓源初始值為0，t=0.5 s時(shí)突變?yōu)楱C20 V，t=1 s時(shí)突變?yōu)?0 V。其仿真結(jié)果如圖9、圖10、圖11、圖12和圖13所示。

從圖9的仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，直流母線電壓 Vbus即使有短暫的波動(dòng)，但很快就恢復(fù)到 48 V。在負(fù)載功率突然增加時(shí)，如圖 10和圖11中0.5 s處所示，超級(jí)電容器迅速響應(yīng)放電，由超級(jí)電容器承擔(dān)負(fù)載的突變，而蓄電池則平滑緩慢地調(diào)節(jié)到負(fù)載要求的功率。當(dāng)負(fù)載功率降低時(shí)，如圖10和圖11的1 s時(shí)刻所示，超級(jí)電容器的功率值為負(fù)值，說明此時(shí)超級(jí)電容器可實(shí)現(xiàn)充電恢復(fù)。由圖12和圖13可看出，該混合式儲(chǔ)能系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，超級(jí)電容器的電流首先迅速上升，而蓄電池放電電流緩慢變化，基本在各個(gè)階段以恒流方式輸出。仿真驗(yàn)證了該控制策略能有效實(shí)現(xiàn)對(duì)基于三端口DC-DC混合式電源的控制。

圖9 負(fù)載變化時(shí)混合式儲(chǔ)能電源直流母線的電壓波形Fig.9 Voltage of hybrid power’s DC bus when the load changes

圖10 負(fù)載功率的變化波形Fig.10 The power changes of load

圖11 負(fù)載功率(a)、超級(jí)電容(b)和蓄電池(c)的功率變化曲線Fig.11 The power changes of load (a), supercapacitor (b) and storage battery (c)

圖12 超級(jí)電容的電流Isc曲線Fig.12 Current Iscof the supercapacitor

圖13 蓄電池的電流Ibat變化曲線Fig.13 Current Ibatof the storage battery

4 結(jié)論

針對(duì)超級(jí)電容器-蓄電池混合式電源的 DC-DC變換器進(jìn)行優(yōu)化，將一種三端口的DC-DC功率變換器用于混合式電源儲(chǔ)能器件的連接。設(shè)計(jì)了一種基于該三端口DC-DC功率變換器的控制策略，通過控制蓄電池穩(wěn)定母線電壓，通過提供超級(jí)電容器負(fù)載突變功率的高頻分量，使蓄電池基本工作在恒流工作狀態(tài)。最后采用MATLAB仿真證明了該控制策略的正確性。

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（編輯：曾革）

Control strategy of hybrid power supply based on three-port converter

REN Xiaoxia1, XIA Jihong1, LIN Xinyou2, YANG Wenyao1
(1. Electronic Engineering Research Center of New Energy Storage Devices and Applications, College of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China; 2. School of Mechanical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350000, China)

The hybrid power supply combining supercapacitors with storage batteries can make full use of the advantages that supercapacitors have high power density and storage batteries have high energy density, which can greatly improve the power characteristic and satisfy pulse loads such as electric vehicles and photovoltaic etc. This paper studies converters of hybrid power supply, which combines storage batteries and supercapacitors. A bidirectional three-port DC-DC converter was used to replace a common signal-port DC-DC converter and a control strategy of bidirectional three-port DC-DC converters was proposed to give consideration to both battery behavior and system stability. The simulation model was built in MATLAB. The simulation results prove that the topology of the converter and the control strategy are efficient by charge-discharge performance.

hybrid power supply; storage battery; supercapacitor; three-port DC-DC converter; control strategy; pulsating load

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.008

TM615

A

1001-2028（2017）09-0033-05

2017-06-06

楊文耀

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 51505086）；重慶市教育委員會(huì)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(No. KJ1601118，KJ1601111，KJ1601122)

楊文耀（1982－），男，四川隆昌人，博士后，研究方向主要為超級(jí)電容器及儲(chǔ)能技術(shù)研究，E-mail: yang0220@163.com ；任曉霞（1983－），女，山東煙臺(tái)人，講師，主要從事超級(jí)電容器器件及儲(chǔ)能系統(tǒng)研究，E-mail:renxiaoxia7128@163.com。

時(shí)間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.007.html