隔離三端口電能路由變換器的模式切換控制策略

趙君力，胡開偉，謝孟，施曉勇，杜娟，游江

1. 北京機電工程研究所，北京 100083

2. 哈爾濱工程大學 智能科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

由于通過端口間的協(xié)調(diào)控制，隔離型多端口變換器能夠靈活地對所接入的多路電源或負載進行同時處理，具有適于高頻化、易于實現(xiàn)軟開關運行等特點，并且由于具有電氣隔離能夠實現(xiàn)多源跨電壓等級的電能傳輸?shù)葍?yōu)點，在拓撲結構和功能上具有天然的能量路由器特性，近年來在可再生能源發(fā)電、直流微電網(wǎng)、運載器電源系統(tǒng)等領域受到廣泛的關注[1-8]。針對采用隔離型多端口變換器作為能量路由器，文獻[9]以微電網(wǎng)為背景，提出了針對隔離型多端口變換器的回旋器大信號建模方法，通過仿真驗證了模型的正確性；文獻[10]研究了具有能量路由特性的基于隔離型四端口變換器的電力電子變壓器，可以實現(xiàn)不同電壓等級的配電母線之間的功率靈活傳輸；文獻[11]以多電飛機配電系統(tǒng)為背景研究了利用四端口變換器在同時整合燃料電池單元、儲能系統(tǒng)以及超級電容，組成了智能化的供配電系統(tǒng)的分析和控制問題；文獻[12]研究了基于四端口變換器的電動汽車混合儲能系統(tǒng)，充分考慮了各個端口間的功率傳遞關系，提出了一種針對車載混合能源存儲系統(tǒng)的能量管理機制，解決了運載車輛綜合能量管理問題；文獻[13]研究了隔離型三端口變換器在端口額定電壓與實際電壓不匹配時無功回流功率較大、軟開關范圍較小的問題，提出了一種以最小無功為目標的效率優(yōu)化控制策略，有效抑制了三端口變換器回流功率，并在較寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了軟開關。

本文針對擬應用于獨立電源系統(tǒng)的三端口能量路由器，提出一種電能路由器控制策略，可根據(jù)儲能電池和主電源所處的運行狀態(tài)和系統(tǒng)的實際需求，柔性切換三端口能量路由器的工作模式。例如，在主電源功率充足時可同時供給負載和為儲能電池充電；當主電源功率不足時，可將儲能電池由充電或閑置狀態(tài)轉入放電狀態(tài)，作為主電源的補充等。并在模式切換的動態(tài)過程中，保證負載端口的電壓穩(wěn)定。

1 三端口能量路由器及其工作模式

隔離三端口能量路由器的拓撲結構如圖1 所示，其中PS 為主電源端口，ESS 為儲能電池端口，LD 為負載端口，Lr1、Lr2、Lr3為各繞組串聯(lián)電感，各個端口間通過高頻變壓器繞耦合。各端口變換器橋臂上管和下管互補導通，占空比均為0.5，且2 個橋臂之間的移相角被固定為180°，則圖1 中所示的橋臂中點電壓v1、v2和v3均為標準方波。將端口2 和端口3 折算到端口1，可將圖1 化為如圖2 所示的Δ 型簡化電路。圖中、、和分別為端口2 和端口3 折算到端口1 的橋臂中點電壓；P1、P2和P3分別為3 個端口的功率。以端口1 為參考，端口1 和端口2、端口1 和端口3 之間的移相角分別為?12和?13，和之間的移相角為?23，電能由相位超前端口傳遞到相位滯后端口。

圖1 三端口電能路由變換器拓撲

圖2 三端口電能路由器的簡化電路模型

圖2 中等效電感L12、L13和L23的表達式為

通過控制端口變換器橋臂中點電壓超前或滯后的關系，可以實現(xiàn)三端口變換器任意2 個端口之間的電能傳遞，存在多種電能傳輸模式。在本文所討論的框架下，端口1 配置的主電源只輸出電能，端口2 的負載只消耗電能，且根據(jù)實際應用需求，可定義如圖3 所示的4 種工作模式Modex（x=1，2，3，4）。圖3 中Mode1 表示主電源端口PS 為負載端口（load，LD）供電的同時為儲能電池（energy storage source，ESS）充電；Mode2表示主電源系統(tǒng)處于熱備用狀態(tài)，此時為負載供電的任務由儲能電池ESS 單獨承擔；Mode3 表示此時儲能電池處于熱備閑置狀態(tài)，為負載供電任務由主電源（power source，PS）單獨承擔；Mode4表示當負載過重時，或主電源功率不足時由主電源PS 和儲能電池ESS 共同為負載供電，此時儲能電池ESS 可按一定比例承擔負載功率。根據(jù)實際運行需求和外部條件，上述4 種工作模式可以任意切換，如3 圖中的雙向箭頭所示。

圖3 三端口電能路由的典型工作模式及切換

2 三端口電能路由器的控制策略

在圖1 所示的隔離三端口電能路由變換器系統(tǒng)中，可以選擇任意2 個端口的電壓或者電流變量作為被控量，在以主電源端口1 的變換器橋臂中點電壓v1相位為參考的條件下，通過調(diào)節(jié)端口間移相角?12和?13的大小就可實現(xiàn)對端口變量的控制。獨立電源系統(tǒng)整體上要求控制負載端口的電壓始終保持恒定，并且要求在圖3 所示的模式切換過程中保持負載端口電壓始終保持穩(wěn)定，且沒有明顯的暫態(tài)波動，結合圖3 所示的4 種工作模式可歸納出如表1 所示的各種工作模式下的控制需求。

表1 4 種工作模式對應的控制需求

因此根據(jù)表1，在變換器的控制策略設計中考慮通過調(diào)節(jié)負載端口2 和主電源端口1 之間的移相角?12控制負載端口電壓vd2恒定。而通過調(diào)節(jié)儲能電池端口3 和主電源端口1 之間的移相角?13來控制不同模式下的主電源端口電流id1或者儲能電池端口的電流id3。因此需建立3 個控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)，即?13到主電源端口電流id1的傳遞函數(shù)G1、?13到儲能電池端口電流id3的傳遞函數(shù)G2以及?12到負載端口電壓vd2的傳遞函數(shù)G3。

根據(jù)圖2 所示的功率流圖，可得端口功率關系如下：

式中端口間功率P12、P13和P23為[14]

式中fs為開關頻率。將式（3）代入式（2）并整理可得端口1、端口2 和端口3 的平均電流為

式中?120和?130代表穩(wěn)態(tài)工作點的控制量。令對?12求偏導，并考慮對負載端口2 輸出電壓vd2之間的傳遞函數(shù)關系，可得：

在獲得上述3 個傳遞函數(shù)的基礎上可采用解耦控制策略分別控制系統(tǒng)[15]，其中針對G1的端口1電流控制僅在Mode2 中有效，針對G2的端口3 電流控制在Mode1、Mode3 和Mode4 中是有效的，而針對G3的負載端口2 電壓控制在4 種運行模式中都是有效的。

參考圖3 和表1，可知模式切換的實質(zhì)是對?13的被控量進行調(diào)整（以?13控制id1，或者以?13控制id3進行）；或者不改變被控量本身，而僅對被控量的大小進行調(diào)整。將僅對被控量大小和極性進行調(diào)整定義為可直接切換（direct switch，DS），反之若模式切換伴隨對被控量進行更改，則將其定義為非直接切換（not direct switch，NDS），根據(jù)這一原則可歸納得到表2 所示的關系。對于表2 中所示的非直切換模式，需要設計必要的過渡控制，以實現(xiàn)模式間的柔性切換。以Mode1 向Mode2 切換為例，在Mode1 中，主電源供給負載的同時為儲能電池充電，充電電流id3需被控制在安全的設定值上，在向Mode2 過渡的過程中，需先調(diào)節(jié)?13將id3控制為零，并將此時的?13作為id1控制器的初值，用于將id1控制為0，而實現(xiàn)模式間的柔性切換。對其他非直接切換模式的處理與此類似。

表2 各運行模式之間的切換關系

綜上所述，給出三端口電能路由器的總體控制結構示意如圖4 所示。圖4 中對儲能電池端口電壓vd3的控制是為了將充電電壓限制在允許的最高電壓vd3max以內(nèi)，保證電池的安全并實現(xiàn)恒壓充電。

圖4 三端口電能路由器總體控制結構示意

3 仿真及實驗驗證

分別搭建仿真模型和硬件電路對控制策略進行驗證，主要參數(shù)如表3 所示。圖5 所示為Mode2 切換為Mode4 的仿真結果，圖6 為實驗波形，這2 種模式之間的切換不存在變量的更換（控制變量可始終為主電源電流id1），因此為直接切換?？梢姵跏紩r主電源處于熱備狀態(tài)，其輸出電流為0。轉換為模式4 時，主電源電流增加而儲能電池電流下降，達到穩(wěn)態(tài)時主電源與儲能電池共同為負載供電。

表3 系統(tǒng)主要參數(shù)

圖5 Mode2向Mode4切換的仿真波形

圖6 Mode2 向Mode4 切換的實驗波形

圖7 和圖8 分別為Mode3 向Mode2 切換的仿真和實驗波形，由于伴隨有控制變量的更換（由id3變化為id1），因而為非直接切換。初始主電源單獨向負載供電，儲能電池處于熱備份狀態(tài)（儲能電池輸出電流為0）。轉換為Mode2 時，主電源進入熱備狀態(tài)，輸出電流為0，由儲能電池替換主電源獨立為負載供電。

圖7 Mode3 向Mode2 切換的仿真曲線

圖8 Mode3 向Mode2 切換的實驗波形

圖9 和圖10 分別為Mode4 向Mode2 切換的仿真和實驗波形，該切換為可以直接進行切換的情況。在初始的Mode4，主電源和儲能電池按一定比例配合共同為負載供電。切換為Mode2 時，控制主電源輸出電流為零進入熱備狀態(tài)，儲能電池承擔所有的負載功率。

圖9 Mode4向Mode2切換的仿真波形

圖10 Mode 4 向Mode 2 切換的實驗波形

4 結論

本文對隔離三端口電能路由器多工作模式之間的柔性切換進行了研究，根據(jù)各工作模式之間切換是否伴隨端口控制變量的變化，將工作模式切換劃分為直接和非直接切換。為了實現(xiàn)不同工作模式之間的柔性切換，針對非直接切換提出需設計必要的過渡控制進行橋接的策略，并通過仿真和實驗驗證了控制策略的正確性和有效性。