一種基于級聯(lián)Buck-Boost變換器的多儲(chǔ)能并聯(lián)系統(tǒng)及其控制策略設(shè)計(jì)

蘇 適，欒思平，羅恩博，楊 洋

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650000)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題日益加劇，直流微電網(wǎng)技術(shù)作為一種解決手段，在分布式能源接入領(lǐng)域得到了巨大發(fā)展。直流微電網(wǎng)優(yōu)點(diǎn)在于可大量接納光伏、風(fēng)力發(fā)電等新能源發(fā)電，并通過采用相關(guān)的協(xié)調(diào)控制和能量管理等方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)本地運(yùn)行，同時(shí)也可以由變流裝置接入大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行[1-3]。由于微電網(wǎng)中新能源發(fā)電的滲透率較高，間歇性和波動(dòng)性較大，因此需要大量的儲(chǔ)能單元來維持系統(tǒng)的瞬時(shí)功率不平衡[4]。

典型的直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中儲(chǔ)能單元通過雙向DC/DC變換器連接到直流總線上。針對含光伏源的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[5]提出了一種微電網(wǎng)孤島與并網(wǎng)模式的平滑切換控制方法，實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)在多種運(yùn)行模式下的不同控制策略的切換；文獻(xiàn)[6]提出了一種混合儲(chǔ)能控制及系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制策略，維持直流微電網(wǎng)功率平衡；文獻(xiàn)[7]以直流母線電壓為控制目標(biāo)，詳細(xì)分析了直流微電網(wǎng)各變流器對母線電壓的影響。針對直流微電網(wǎng)，文獻(xiàn)[8]提出了一種自適應(yīng)分級協(xié)調(diào)控制，用以解決多儲(chǔ)能單元接入的荷電狀態(tài)均衡問題。用于儲(chǔ)能單元的雙向DC/DC變換器可以分為2種：隔離型DC/DC變換器，常見的有雙主動(dòng)全橋(dual active bridge,DAB)[9]、雙主動(dòng)半橋(dual half bridge,DHB)[10]等；非隔離型DC/DC變換器，有雙向Buck-Boost變換器[11]、級聯(lián)Buck-Boost變換器[12-13]等。

圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure diagram of DC microgrid

DAB等隔離型變換器在隔離和電壓增益等方面上具有優(yōu)勢，但增加的高頻變壓器會(huì)使得變換器的成本變高，目前實(shí)際應(yīng)用比較少。在儲(chǔ)能單元的實(shí)際使用上，非隔離DC/DC變換器的應(yīng)用越來越廣泛。文獻(xiàn)[14]采用雙向Buck-Boost變換器作為直流微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能單元變換器；文獻(xiàn)[11,15]進(jìn)一步根據(jù)直流母線電壓設(shè)計(jì)了不同工作模式，并實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能單元在不同運(yùn)行模式下的自由切換。

雙向Buck-Boost變換器工作時(shí)存在一定的局限性，即任何一種電流流向只能對應(yīng)一種工作模式(Buck或Boost模式)，導(dǎo)致電壓增益比較低。但級聯(lián)Buck-Boost變換器相當(dāng)于2個(gè)雙向Buck-Boost變換器級聯(lián)實(shí)現(xiàn)雙向升降壓變換，在沒有這個(gè)限制的情況下，可以大大地提高電壓增益范圍。文獻(xiàn)[16]具體分析了級聯(lián)Buck-Boost變換器的多種工作模態(tài)，并給出了軟開關(guān)優(yōu)化策略；文獻(xiàn)[17-18]分析了級聯(lián)Buck-Boost變換器在不同工作模式下的小信號模型，并根據(jù)得到的小信號模型設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器。

本文使用級聯(lián)Buck-Boost變換器作為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能單元接口變換器，根據(jù)直流微電網(wǎng)的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)在不同工作模式下變換器的控制策略。首先給出了基于級聯(lián)Buck-Boost變換器的直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)；然后結(jié)合其工作原理，分析級聯(lián)Buck-Boost變換器的不同工作模式，再根據(jù)針對直流微電網(wǎng)的工況確定儲(chǔ)能單元的控制策略；最后搭建仿真及硬件平臺(tái)對所提的設(shè)計(jì)方案和控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)能單元設(shè)計(jì)

1.1 儲(chǔ)能單元整體方案

基于級聯(lián)Buck-Boost變換器的儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，儲(chǔ)能單元通過級聯(lián)Buck-Boost變換器與直流母線連接。同時(shí)，為了提高儲(chǔ)能端口的容量，將多個(gè)模塊輸出側(cè)并聯(lián)在直流母線上，一方面增強(qiáng)了儲(chǔ)能單元平抑功率波動(dòng)的能力，另一方面也有利于提高系統(tǒng)的冗余程度和實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元模塊化，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低系統(tǒng)維護(hù)難度。

圖2 儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)Figure 2 Energy storage unit structure

1.2 子模塊工作模態(tài)分析

由圖2可知，級聯(lián)Buck-Boost變換器由4個(gè)開關(guān)管S1、S2、S3和S4和一個(gè)電感L組成，其中vi為子模塊的輸入電壓。電壓變換器工作時(shí)，同一橋臂的2個(gè)開關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，分別記占空比為d1、d2、d3和d4。

實(shí)質(zhì)上級聯(lián)Buck-Boost變換器看成2個(gè)雙向Buck-Boost變換器級聯(lián)形成，主要有Boost、Buck模式。當(dāng)S1一直導(dǎo)通，S3、S4根據(jù)調(diào)制信號交替導(dǎo)通，此時(shí)Buck-Boost變換器工作于Boost模式，此時(shí)vivo。具體模態(tài)分析如圖3所示。

圖3 子模塊工作模態(tài)Figure 3 Sub-module working modalities

不同模態(tài)下，電感電壓表達(dá)式為

(1)

式中m1、m2均為開關(guān)狀態(tài)。m1=1時(shí)，表示S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷；m2=1時(shí)，表示S3導(dǎo)通，S4關(guān)斷。

Boost模式由模態(tài)1和2組成，m1一直等于1，對m2周期平均化后可得輸入輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即

vo=vi/d3

(2)

類似的Buck模式下輸入輸出穩(wěn)態(tài)關(guān)系，即

vo=vid1

(3)

通過上述分析，雙向Buck-Boost變換器正常工作時(shí)只相當(dāng)于級聯(lián)Buck-Boost變換器一種模式，但級聯(lián)Buck/Boost變換器可以通過確定主控管S1和S3的狀態(tài)調(diào)整變換器切換升降壓狀態(tài)，從而提高電壓增益范圍。

就控制復(fù)雜性而言，無論在Buck還是Boost模式，S1、S2、S3和S4的開關(guān)狀態(tài)都不再完全互補(bǔ)或相等，即左右2個(gè)橋臂在Buck或Boost模式下需要獨(dú)立的調(diào)制，如圖4所示。因此為了在Buck和Boost模式下級聯(lián)Buck-Boost變換器都能正常工作，需要分別設(shè)計(jì)在Buck和Boost模式下的調(diào)制策略，這會(huì)加劇控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度。本文提出了通過載波平移的方法實(shí)現(xiàn)既適用于Buck也適用于Boost模式的調(diào)制方式。

(a) 載波平移調(diào)制方式

(b) 載波平移調(diào)制波形

由圖4可知，2個(gè)載波Vcar1、Vcar2上下平移，使DC/DC變換器只能處于Boost、Buck這2種模式。當(dāng)控制信號在Boost模式區(qū)間時(shí)，Vctrl恒大于Vcar1，此時(shí)S1一直導(dǎo)通，S3和S4則根據(jù)控制信號調(diào)制交替導(dǎo)通；同理，當(dāng)控制信號在Buck模式區(qū)間時(shí)，Vctrl恒小于Vcar2，此時(shí)S3一直導(dǎo)通，S1和S2則交替導(dǎo)通。由上述分析可知，當(dāng)占空比為正或負(fù)時(shí)，一側(cè)橋臂的占空比自然為1或0，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了Buck或Boost模式的切換。

2 儲(chǔ)能單元控制策略

2.1 整體控制策略

直流微電網(wǎng)一般利用AC/DC 變換器來實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)壓，儲(chǔ)能和新能源發(fā)電單元只需根據(jù)調(diào)度指令進(jìn)行相應(yīng)的功率或電流輸出即可[19]。而對于儲(chǔ)能模塊來說，頻繁充放電會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能單元壽命受影響，因此當(dāng)新能源發(fā)電單元能夠滿足系統(tǒng)需求時(shí)，儲(chǔ)能單元只需根據(jù)荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)值進(jìn)行充放電的選擇，即在SOC值過高時(shí)采用恒流工作模式放電，過低時(shí)采用恒流工作模式充電。然而，一旦AC/DC變換器發(fā)生限流運(yùn)行、故障退出或者風(fēng)電/光伏等間歇性電源出力波動(dòng)過大等問題，將會(huì)導(dǎo)致直流微電網(wǎng)功率不平衡的后果，從而致使母線電壓持續(xù)降低或升高，系統(tǒng)將可能崩潰中止運(yùn)行。因此，在系統(tǒng)控制中，必須考慮直流微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元的有效控制，根據(jù)實(shí)際工況的輸出或者吸收功率情況做出相對應(yīng)的動(dòng)作，使直流母線電壓保持在允許的穩(wěn)定運(yùn)行范圍之內(nèi)。

根據(jù)上述分析，將儲(chǔ)能單元的工作狀態(tài)分成以下3類。

1)空閑模式。儲(chǔ)能單元既不充電也不放電。

2)電壓模式。儲(chǔ)能單元在AC/DC單元失控，無法實(shí)現(xiàn)直流母線電壓穩(wěn)定時(shí)，進(jìn)行母線電壓控制。

3)電流模式。儲(chǔ)能單元在AC/DC單元正常運(yùn)行時(shí)，根據(jù)實(shí)際工況的功率情況做出的恒流充放電對應(yīng)動(dòng)作。

不同工作狀態(tài)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能單元工作模式關(guān)系Figure 5 Energy storage unit working mode relationship

在實(shí)現(xiàn)工況應(yīng)用時(shí)，在達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)后，直流母線電壓會(huì)在一定上下限內(nèi)變化，而不是完全跟隨給定參考電壓指令[11]。如果儲(chǔ)能單元工作模式只是根據(jù)直流母線電壓瞬時(shí)值與指令值的差值來確定，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在電壓工作模式和其他幾種工作模式之間發(fā)生來回切換現(xiàn)象。這樣一方面會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)控制的不穩(wěn)定，另一方面也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的頻繁充放電現(xiàn)象。因此本文通過設(shè)定電壓工作區(qū)間來判斷系統(tǒng)工作模式是否需要切換。具體控制策略如圖6所示。

圖6 整體控制策略Figure 6 Overall control strategy

圖6中，Ubus為直流母線電壓檢測值，Uset為設(shè)定值，Ulimit為偏差區(qū)間，只有當(dāng)|Ubus-Uset|超過Ulimit時(shí)，才認(rèn)為AC/DC變換器出現(xiàn)問題，需要儲(chǔ)能單元控制母線電壓。如果母線電壓在系統(tǒng)允許的范圍，此時(shí)會(huì)根據(jù)檢測到SOC值判斷是否需要恒流充放電，然后根據(jù)檢測的SOC狀態(tài)，來判斷是否需要充電和放電。當(dāng)SOC<0.2時(shí)，采用恒流控制進(jìn)行充電；當(dāng)SOC>0.8時(shí)，采用恒流控制進(jìn)行放電；當(dāng)0.2≤SOC≤0.8時(shí)，儲(chǔ)能單元處于空閑狀態(tài)。

2.2 電壓模式和電流模式控制器設(shè)計(jì)

在電壓工作模式下，n個(gè)儲(chǔ)能單元子模塊輸出側(cè)直接并聯(lián)，等效于輸出穩(wěn)定的多個(gè)電壓源并聯(lián)。子模塊參數(shù)或者線路參數(shù)差異會(huì)導(dǎo)致子模塊電流偏差較大，增大器件應(yīng)力的同時(shí)還可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。本文采用下垂控制方式，將下垂控制加在級聯(lián)Buck-Boost變換器的電壓電流雙環(huán)控制之外，作為控制外環(huán)，得到級聯(lián)Buck-Boost變換器輸出直流電壓參考值，具體控制如圖7所示。

圖7 電壓模式控制器Figure 7 Voltage mode controller

下垂控制得到指令為

Vset(i)=V0-kDroop·io(i)

(4)

式中V0為直流母線電壓設(shè)定的期望值；kDroop為下垂系數(shù)。

實(shí)質(zhì)上，下垂控制相當(dāng)于增大變換器輸出阻抗，使得該阻抗值遠(yuǎn)超過線纜阻抗以及其他參數(shù)，從而保證各儲(chǔ)能單元輸出電流的均衡[6]。相較于主從控制，下垂控制不需要額外的通訊線，更適合于分布式系統(tǒng)。根據(jù)Buck和Boost模式小信號電路數(shù)學(xué)模型及各級傳遞函數(shù)可以得到系統(tǒng)傳遞函數(shù)及系統(tǒng)特征方程。依據(jù)勞斯判據(jù)等相關(guān)原則可得到系統(tǒng)下垂系數(shù)取值范圍。同時(shí)，由于下垂控制是通過增加變換器輸出阻抗來實(shí)現(xiàn)不同模塊均流，所以導(dǎo)致電壓偏差和電流分配精度相互矛盾，如圖8所示，#1和#2分別為2個(gè)變換器的輸出電流，ΔI1、ΔI2為2個(gè)變換器分流偏差。直流電網(wǎng)的電壓運(yùn)行在一個(gè)范圍內(nèi)，在不超出正常電壓范圍時(shí)，可適當(dāng)增加下垂系數(shù)提高均流效果。

圖8 不同下垂系數(shù)下均流效果，kDroop1>kDroop2Figure 8 Current sharing effect under different droop coefficients，kDroop1>kDroop2

在電流工作模式下，n個(gè)儲(chǔ)能單元子模塊輸出側(cè)直接并聯(lián)，等效于輸出穩(wěn)定的多個(gè)電流源并聯(lián)，電流工作模式的具體控制如圖9所示。電流參考值Iset與變換器當(dāng)前電流io比較后，經(jīng)由PI調(diào)節(jié)器得出值，送至PWM模塊生成開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號。

圖9 電流模式控制器Figure 9 Current mode controller

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出控制策略在實(shí)際系統(tǒng)中的可行性，將通過PSIM進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真中主電路及控制參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖10、11所示。仿真中采用2個(gè)有參數(shù)差異的子模塊并聯(lián)組成儲(chǔ)能單元，驗(yàn)證其在不同模式下控制策略的有效性。

表1 主電路及控制參數(shù)Table 1 Main circuit and control parameter

場景1 當(dāng)AC/DC變換器正常工作(|Ubus-Uset|未超過Ulimit)、0.3 s時(shí)，儲(chǔ)能單元進(jìn)行恒流充放電。

由圖10可知，電流模式下儲(chǔ)能單元設(shè)置的接入對母線電壓的影響可忽略。同時(shí)，盡管子模塊參數(shù)不同，在切換的瞬間不同模塊的電流值有所偏差，隨后通過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)，0.1 s后不同子模塊的電流近似相等，充分說明了控制策略的有效性。

圖10 空閑切換至電流模式運(yùn)行情況Figure 10 Current mode operation

場景2 當(dāng)AC/DC變換器不能正常工作時(shí)(|Ubus-Uset|超過Ulimit)，儲(chǔ)能單元進(jìn)入電壓模式。

由于2個(gè)不同子模塊間存在參數(shù)偏差，即模擬實(shí)際工況中線纜阻抗差異較大的情況，而子模塊并聯(lián)在同一直流母線上，勢必會(huì)造成輸出電流不平衡的問題。由圖11可知，加入的下垂控制使不同子模塊的電流偏差較小，基本實(shí)現(xiàn)了均流的功能(不同子模塊參數(shù)偏差設(shè)置為10%)。由圖11(b)可知，母線電壓與電流模式相比有比較大的下降。在動(dòng)態(tài)性能上，切換的瞬間無論是電壓還是電流波形都有一定超調(diào)，通過控制器的調(diào)節(jié)，0.1 s后達(dá)到穩(wěn)態(tài)，充分說明了控制策略的有效性。

圖11 空閑切換至電壓模式運(yùn)行情況Figure 11 Voltage mode operation

由圖10、11的仿真結(jié)果可知，無論是在電流模式還是電壓模式下，系統(tǒng)都能正常工作，說明整體控制策略在不同模式下都能起作用，對系統(tǒng)有良好的支撐作用。

4 結(jié)語

本文對比分析了常見用于直流微電網(wǎng)儲(chǔ)能單元的直流變換器，提出了一種基于級聯(lián)Buck-Boost變換器的設(shè)計(jì)方案。通過對級聯(lián)Buck-Boost變換器的工作模態(tài)分析，得出級聯(lián)Buck-Boost變換器電壓增益范圍的優(yōu)勢，并給出相應(yīng)的調(diào)制策略。同時(shí)根據(jù)儲(chǔ)能單元在微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所可能發(fā)生的工況確定控制策略，并對其中的電壓模式和電流模式進(jìn)行了詳細(xì)分析。最后，搭建了相關(guān)仿真驗(yàn)證了所提儲(chǔ)能單元方案的可行性。