基于三端口雙向DC/DC 儲(chǔ)能變流器的電流內(nèi)環(huán)控制策略研究

胡平

摘 要：多端口雙向DC/DC儲(chǔ)能變流器是一種進(jìn)行能量控制變換的電力電子裝置，是一種新型前沿技術(shù)，在以風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電多能互補(bǔ)的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)以及電動(dòng)汽車能量管理控制系統(tǒng)中有著良好發(fā)展前景。系統(tǒng)主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以三端口雙向DC/DC變換器作為儲(chǔ)能裝置，分別連接負(fù)載端、超級(jí)電容器和蓄電池，所組成的電動(dòng)汽車充放電能量管理系統(tǒng)。通過對(duì)三端口雙向DC/DC 儲(chǔ)能變流器的控制策略的深入研究，采用狀態(tài)空間法和波特圖的形式來研究電流內(nèi)環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能裝置在發(fā)電系統(tǒng)及電動(dòng)汽車能量管理系統(tǒng)中的穩(wěn)定應(yīng)用，改善電能的利用效率。

關(guān)鍵字：變流器；電流內(nèi)環(huán)；微電網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Current Inner Loop Control Strategy Based on Three-port Bidirectional DC / DC Energy Storage Converter

HU Ping

（Shaanxi Polytechnic Institute Xianyang，shaanxi 712000，China）

Abstract：Multi-port bidirectional DC / DC energy storage converter is a power electronic device that can perform energy control and conversion，It is a new frontier technology which has a good development prospects in the smart micro-grid system and in the electric vehicle energy management control system what wind power，PV power generation and fuel cell power generation can complement each other.In this paper，the main topology of the system is a three-port bi-directional DC / DC converter as the energy storage device，respectively，connected to the load side，super capacitors and batteries which build up the electric vehicle charge and discharge energy management system.Through in-depth study of the three-port bidirectional DC / DC energy storage converter control strategy，we use the state space method and the form of the Bode diagram to study the current inner loop control strategy for achieving stability and application of the energy storage devices in power generation systems and electric vehicle energy management system，and improving utilization efficiency of electric energy.

Key words：converter；current inner loop；micro-grid

1 三全橋DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及等效電路分析

1.1 三全橋主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三端口全橋雙向DC/DC變換器，其有兩個(gè)輸入模塊，一個(gè)輸出模塊。輸入模塊采用電流型全橋結(jié)構(gòu)，在電源處串聯(lián)大電感實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定，輸出模塊采用電壓型全橋結(jié)構(gòu)，在負(fù)載處并聯(lián)大電容保證電壓穩(wěn)定。而能量傳輸單元?jiǎng)t采用的是變壓器，該變壓器是高頻三繞組耦合變壓器，可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離。圖1是三全橋雙向DC/DC變換器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，VBT是低壓蓄電池端口，VSC是低壓超級(jí)電容端口，V0屬于高壓負(fù)載端口，Tr是連接三個(gè)端口的三繞組的變壓器[1]。Lr1和Lr2是隔離變壓器原邊端口漏感，Lr3是隔離變壓器副邊端口的漏感。在正向供電模式下，超級(jí)電容VSC和蓄電池VBT共同工作一起供電，負(fù)載側(cè)V0接收VSC和VBT提供的能量傳輸，在反向工作模式時(shí)，負(fù)載通過燃料電池或光伏電池給低壓端的蓄電池和超級(jí)電容進(jìn)行儲(chǔ)蓄電能的傳輸[2]。該變流器不僅可以進(jìn)行能量雙向流動(dòng)，而且由于變壓器的加入，實(shí)現(xiàn)了電氣隔離和電路的易操作性，全橋結(jié)構(gòu)相較于半橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)調(diào)節(jié)電壓間移向角，三端口輸入電壓的高低，以及占空比，使得DC/DC變換器能夠更好地滿足輸入電壓范圍，達(dá)到理想環(huán)境[3][4]。

三端口雙向變流器采用移相的方式對(duì)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，φ13是負(fù)載側(cè)電壓與蓄電池側(cè)電壓的移相角，φ23是負(fù)載側(cè)電壓和超級(jí)電容側(cè)電壓的移相角，φ12是超級(jí)電容側(cè)電壓和蓄電池側(cè)電壓的移相角，D1是超級(jí)電容側(cè)占空比，D2是蓄電池側(cè)占空比[5][6]，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，可以實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容組以及蓄電池組共同工作給負(fù)載供能，當(dāng)修改移相角φ13、φ23、φ12與占空比D1、D2時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)任意比例給負(fù)載提供功率，改變?nèi)丝谥g傳輸與接收功率的方向與大小，實(shí)現(xiàn)可控化[7][8]。

1.2 變換器等效電路

在進(jìn)行分析前需要將變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，三繞組變壓器有兩個(gè)低壓電路端，一個(gè)高壓負(fù)載端，可以等效為Y型和△型。由于篇幅原因，此處只介紹Y型等效電路模型，△型簡(jiǎn)化模型可以自行查閱資料，在變壓器的Y型簡(jiǎn)化等效模型中，變壓器上各繞組的漏感的電感量均折算到原邊。如圖2所示。圖2是三端口全橋雙向（TAB）DC/DC變換器以原邊為參考的Y型等效電路。其中ir1、ir2和ir3為變壓器各端口處折算到原邊的繞組電流，vr1、vr2和vr3為變壓器各端口處折算到原邊的繞組電壓。由于TAB變換器的低壓側(cè)和高壓側(cè)能量傳遞元件是變壓器Tr，因此在進(jìn)行電路的簡(jiǎn)化電路分析時(shí)，可以用漏感Lr1、Lr2和Lr3來代替變壓器三端口繞組端。endprint

1.3 三全橋DC/DC變換器能量流動(dòng)和控制方式

儲(chǔ)能雙向變流器的能量控制方式一直是電動(dòng)汽車的關(guān)鍵問題，蓄電池和超級(jí)電容由于自身工作特性，既可以充電，也可以放電，雙向DC/DC變換器可以分為正向與反向兩種工作模式，圖3是三端口變換器能量流動(dòng)圖，從圖中可以看出，端口1，端口2和端口3通過TAB進(jìn)行相連，能量傳輸是雙向的，既能充電，也能放電。變換器上的開關(guān)管S1～ S12可以通過控制電路上PWM的控制策略來調(diào)整占空比大小與通斷順序。這樣就能實(shí)現(xiàn)多電源與負(fù)載的雙向能量管理，及時(shí)的給負(fù)載提供電能，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的普及。

如圖3所示，當(dāng)P13 >0、P12 >0、P23 >0時(shí)，變換器為正向Boost升壓模式下工作。（P13=P1-P3，以下亦如此類）。蓄電池給超級(jí)電容和負(fù)載供電，蓄電池給負(fù)載供電。當(dāng)P13<0、P12 >0、P23 <0時(shí)，變換器為反向Buck降壓模式下工作。負(fù)載側(cè)電源給蓄電池和超級(jí)電容供電，蓄電池同時(shí)為超級(jí)電容提供輔助充電[9]。正是由于VSC和VBT雙電源的工作特性，在雙向變換器的能量傳輸方向方面，永遠(yuǎn)是蓄電池給超級(jí)電容提供功率，正向模式下同時(shí)向負(fù)載供電，反向模式時(shí)負(fù)載給兩者充電[10]。

2 基于三端口DC/DC變換器的能量管理控制策略研究

在電動(dòng)汽車以及智能微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式中，DC/DC變換器都需要進(jìn)行電壓的恒壓控制，使負(fù)載端電壓即高壓側(cè)母線電壓在正常運(yùn)行情況下或者外部干擾的情況下都需要保持穩(wěn)定狀態(tài)[11][12]。這就需要電壓外環(huán)控制策略的研究，同時(shí)為了防止蓄電池和超級(jí)電容在長(zhǎng)時(shí)間使用狀態(tài)下由于氧化勞損的原因發(fā)生過充和過放電現(xiàn)象，對(duì)蓄電池和超級(jí)電容的充放電方式進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。輸入端是電流型全橋結(jié)構(gòu)，因?yàn)橹绷麟娫刺幍拇箅姼械慕尤?，使得輸入電流穩(wěn)定連續(xù)，變換器采用平均電流控制方法，即電壓外環(huán)控制輸出直流母線電壓，電流內(nèi)環(huán)控制來自兩個(gè)輸入端的電感電流，從而實(shí)現(xiàn)電壓與電流控制[13]。但是電壓電流的雙閉環(huán)控制的影響，電路系統(tǒng)會(huì)因?yàn)橄嗷ジ蓴_而產(chǎn)生諧波，所以必須進(jìn)行解耦控制[14]。

2.1 TAB變換器電流內(nèi)環(huán)解耦設(shè)計(jì)

通過公式轉(zhuǎn)化，從式2-2可知，通過解耦網(wǎng)絡(luò)H的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)已經(jīng)從原來的多對(duì)多的互相耦合的控制模式轉(zhuǎn)換成單對(duì)單的控制系統(tǒng)，即一個(gè)輸出對(duì)應(yīng)一個(gè)輸入，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦控制。如圖2所示為電流內(nèi)環(huán)系統(tǒng)解耦控制圖，式（3）和（4）分別是電感電流i1和i2的等效閉環(huán)系統(tǒng)中的開環(huán)傳遞函數(shù)。從而可以通過分析式（3）中的x1和式（4）中的x2來對(duì)電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行穩(wěn)定性研究，并且對(duì)i1和i2的控制回路的電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 電流內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

通過MATLAB計(jì)算得出ans=4，系統(tǒng)是不可控系統(tǒng)。對(duì)解耦后的傳遞函數(shù)x1進(jìn)行波特圖（Bode Diagram開環(huán)對(duì)數(shù)頻率特性曲線，可以準(zhǔn)確地提供穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度的信息，來衡量閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能）分析，通過Matlab/Simulink進(jìn)行函數(shù)波特圖圖形繪畫，如圖3綠線所示，可知該函數(shù)的相角裕度為γ=-0.178 °，屬于不穩(wěn)定系統(tǒng)，所以需要對(duì)電流內(nèi)環(huán)i1進(jìn)行補(bǔ)償器設(shè)計(jì)，以滿足穩(wěn)定需求，通過大量實(shí)驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)分析所得，校正裝置的傳遞函數(shù)為：

Gi1（s）=（τ1s+1）（τ2s+1）τs（9）

其中τ1=0.00035、τ2=0.000032、τ3=0.0023，取電流環(huán)的截止頻率為1200 Hz。

對(duì)傳遞函數(shù)進(jìn)行分析，因?yàn)樵趯?shí)際系統(tǒng)中，需要電流環(huán)滿足一定的精度要求，并且具有良好的跟隨性，所以添加一個(gè)積分環(huán)節(jié)來滿足要求，消除或減小穩(wěn)態(tài)誤差。添加兩個(gè)微分環(huán)節(jié)使幅頻特性曲線在高頻段的截止頻率為-20 dB。所以構(gòu)造的補(bǔ)償裝置構(gòu)造函數(shù)如上式所示。

通過式（6）和（9）串聯(lián)所得系統(tǒng)，畫出系統(tǒng)波特圖，如圖5（藍(lán)色是補(bǔ)償后的波特圖，綠色是補(bǔ)償前的波特圖）所示，此時(shí)修正后系統(tǒng)的相角裕度（Phase Margin）γ=57.7 °，在工程應(yīng)用中的45 °～70 °的穩(wěn)定要求范圍內(nèi)，電流內(nèi)環(huán)i1系統(tǒng)得到補(bǔ)償，提高了開環(huán)截止頻率，使系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

用相同的方法對(duì)電感電流i2的電流內(nèi)環(huán)進(jìn)行分析。

由傳遞函數(shù)式（7）可知，狀態(tài)空間表達(dá)式如（10）所示：

3 結(jié) 論

本文主要介紹一種新型的三端口DC/DC儲(chǔ)能變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)蓄電池、超級(jí)電容和負(fù)載的雙向能量交換，通過控制單元可以改變功率的大小與方向，從而實(shí)現(xiàn)三端口變流器在電動(dòng)汽車以及智能微電網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。然后介紹電流內(nèi)環(huán)控制策略，從圖4與圖5可知，在不穩(wěn)定系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償器，可以實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)的穩(wěn)定控制，從而有效的降低有功功率的震蕩的幅值和時(shí)間，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)更加靈活穩(wěn)定。

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