陳 菲，張方華

（南京航空航天大學自動化學院，南京 211106）

雙向直流變換器控制方法

陳 菲，張方華

（南京航空航天大學自動化學院，南京 211106）

雙向直流變換器配合蓄電池或超級電容等化學儲能元件應用在具有直流母線支撐的系統(tǒng)中時，其主要控制目標為結(jié)合儲能元件的荷電狀態(tài)實現(xiàn)負載的穩(wěn)定工作。當負載功率大于主供電功率時，控制儲能元件釋放能量以滿足負載功率需求；當負載功率小于主供電功率時，控制儲能元件吸收能量以避免母線電壓上升。歸納和總結(jié)了現(xiàn)有的雙向控制方法，詳細分析了儲能系統(tǒng)中變換器兩端均為直流源的應用場合時雙向直流變換器的雙向切換原理，重點研究了采用帶有方向信息的電感電流平均值作為電流內(nèi)環(huán)、直流母線電壓作為電壓外環(huán)的雙向控制方法。針對該控制方法中存在的母線電壓波動和電池頻繁充放電的問題，闡述了相應的優(yōu)化措施。

雙向直流變換器；儲能系統(tǒng)；雙向切換原理；直流母線電壓外環(huán)

雙向直流變換器配合蓄電池等化學儲能元件作為能量存儲裝置在不間斷供電UPS（uninterruptible power supply）、儲能系統(tǒng)、電動機電動/制動等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1-3]。

一種城軌交通超級電容儲能系統(tǒng)示意如圖1所示，它由1 500 V直流牽引接觸網(wǎng)、雙向直流變換器、單向逆變器、三相電機及超級電容組成[4]。當列車制動時，系統(tǒng)產(chǎn)生制動能量，雙向直流變換器工作在充電模式，儲能元件吸收能量；當列車牽引時，雙向直流變換器工作在放電模式，儲能元件釋放能量以滿足牽引功率需求。雙向直流變換器應用在儲能系統(tǒng)中時，其控制目標主要有兩點：一是作為松弛終端幫助維持直流母線電壓以保證母線上其余負載或變換器的正常工作；二是結(jié)合儲能元件的荷電狀態(tài)SOC（state-of-charge），對其進行合理的充放電控制。

Buck/boost雙向直流變換器具有功率器件少、易于控制、效率較高等優(yōu)點[5-6]，因此通常采用其單體或其組合作為化學儲能元件前端的變換器。圖2所示為buck/boost雙向直流變換器原理，其中，Q1為boost模式下的主控管，Q2為buck模式下的主控管。Buck/boost變換器應用在儲能系統(tǒng)中時，傳統(tǒng)的控制方法通常采用兩套電壓電流雙閉環(huán)，如圖3所示[7]。充電時，采用儲能元件端電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)以控制儲能元件充電功率；放電時，采用直流母線電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)以控制母線電壓。但由于采用電感電流絕對值閉環(huán)，當功率流向變化時，需切換主控管。這類方法需要額外的狀態(tài)邏輯單元、絕對值電路以及選通信號，除非不利用電感電流的正負作為正反向工作的標志，例如文獻[8]采用類滑模控制給出正反向切換的信號，否則一般直接采用電感電流平均值閉環(huán)，可節(jié)省硬件開銷，有利于實現(xiàn)正反向的無縫切換。

本文基于超級電容儲能系統(tǒng)，研究了電感電流直接閉環(huán)的buck/boost雙向直流變換器的基本切換原理，論述了基于直流母線電壓閉環(huán)的雙向控制方法，針對該法存在的問題，論述了幾種改進措施。

圖1 城軌交通超級電容儲能系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of super-capacitor energy storage system for urban transportation

圖2 Buck/boost雙向直流變換器原理Fig.2 Schematic diagram of buck/boost bi-directional dc/dc converter

圖3 采用電感電流絕對值閉環(huán)的雙向控制示意Fig.3 Schematic diagram of bi-directional control method using the absolute value of iL

1 Buck/boost雙向直流變換器的基本切換原理

Buck/boost雙向直流變換器的切換指如何實現(xiàn)其正反向工作調(diào)度，主要有兩方面內(nèi)容：①是如何使得變換器可以正反向自由工作；②是判斷變換器正反向工作的時刻。為便于描述，以buck方向為功率流正方向。

對于第1個問題，一端源一端負載的情況是：buck模式工作的時候，電感側(cè)接負載，高壓側(cè)接直流源，因為負載不能發(fā)出有功功率，功率自然正向流動；boost模式工作的時候，電感側(cè)接電源，高壓側(cè)接負載，功率只能反向流動。而對于儲能系統(tǒng)中兩端源的應用場合，假設(shè)開環(huán)工作，只給一個固定的占空比，那么如何判斷變換器的工作方向呢？根據(jù)狀態(tài)空間平均法，可對buck/boost雙向直流變換器進行統(tǒng)一建模[9]，此時電感電流平均值IL有正有負，帶有方向信息。則直流工作點的穩(wěn)態(tài)方程為

式中：VH為高壓側(cè)電壓；VL為低壓側(cè)電壓；rS為電感繞組電阻及線路寄生阻；D為穩(wěn)態(tài)占空比。由式（1）可見，穩(wěn)態(tài)占空比D的大小決定功率流向。存在一個臨界占空比D0=VL/VH，當D＞D0時，變換器工作在buck模式，儲能元件充電；當D＜D0時，變換器工作在boost模式，儲能元件放電。因此，變換器的工作方向是由穩(wěn)態(tài)占空比決定的。對于電感電流閉環(huán)的應用場合，占空比是隨電路工作狀態(tài)自動調(diào)節(jié)的，要改變穩(wěn)態(tài)占空比D，只需改變電流IL，由此實現(xiàn)正反向工作調(diào)度。

如圖4所示為通過改變電感電流基準實現(xiàn)正反向調(diào)度的電感電流仿真波形。開機啟動后變換器工作在10 A的充電模式，25 ms時，改變電流基準為-10 A，切換到10 A的放電模式。因此，電感電流IL可作為改變功率流向或大小的控制變量，無論是作為單電流閉環(huán)里的直接控制變量還是電壓電流雙環(huán)里的間接控制變量，由此解答了第1個問題。

圖4 改變電感電流基準實現(xiàn)正反向工作調(diào)度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of bi-directional operating mode switching by changing IL

對于第2個問題，如何判斷何時充電何時放電，即切換時刻的確定。儲能系統(tǒng)的充放電是由系統(tǒng)的功率狀況決定的，當輸入功率＞負載功率時，為避免母線電壓的上升影響其余負載的工作，儲能元件充電；當輸入功率＜負載功率時，儲能元件放電以提供部分負載功率，實現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。具體實現(xiàn)時，一種方法就是實時監(jiān)測輸入功率和負載功率，通過兩者之差判斷充放電狀態(tài)以及充放電功率。另外，當系統(tǒng)出現(xiàn)功率偏差的時候，對于一個直流母線架構(gòu)的應用場合來說，最直接的表現(xiàn)就是母線電壓的升高或降低，并可以通過母線電壓的變化率得到功率的變化趨勢。因此，另一種方法就是通過母線電壓外環(huán)得到充放電電流基準，這種方法只需要檢測母線電壓，并可以計算出其一階導數(shù)，得到功率的變化趨勢，簡單可靠。上述方法具體實現(xiàn)時都可以采用帶有方向的電感電流平均值直接閉環(huán)，邏輯簡單，方便操作。

2 buck/boost雙向直流變換器基于直流母線電壓的切換控制方法

2.1 基本原理及模擬實現(xiàn)

圖5（a）所示為采用母線電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略的模擬實現(xiàn)示意[10]。電壓控制器的反相端為母線電壓采樣值Ub，同相端為母線電壓基準值Ub_ref，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的基準。對應圖5（a）中接法，當母線電壓Ub較低，小于母線電壓基準Ub_ref時，電壓環(huán)輸出為正，此時儲能元件應該放電維持母線電壓，變換器工作在boost模式，因此，該接法以boost方向電流為正。在規(guī)定boost方向為電流正方向后，圖5（a）中所示Ugsa驅(qū)動始終對應boost的主控管，即圖2中的Q1管；Ugsb驅(qū)動始終對應buck的主控管，即圖2中的Q2管。

假設(shè)變換器原來工作在buck模式，儲能元件充電，電感電流基準即電壓環(huán)輸出為負。當列車制動時，母線電壓Ub升高，電壓環(huán)輸出負向增大，對應buck模式下的電流基準變大，則Ugsa占空比減小，Ugsb占空比增加，儲能元件加速吸收能量，使得母線電壓回落；當列車牽引時，母線電壓Ub降低，電壓環(huán)輸出由負變正，對應boost模式下的電流基準變大，則Ugsa占空比增加，Ugsb占空比減小，儲能元件釋放能量以補充牽引功率，最終使得母線電壓在一定范圍內(nèi)波動。由于直接采用帶方向的電感電流平均值閉環(huán)，因此正反向工作無需切換主輔管。

圖5 基于直流母線電壓外環(huán)的兩種雙向控制方法示意Fig.5 Schematic diagram of two bi-directional control methods based on the bus voltage outer loop

圖5（a）所示電壓環(huán)接法表示以boost方向為正。當同相端和反相端的信號交換，如圖5（b）所示，此時若母線電壓Ub較高，儲能元件應充電，而此時電壓環(huán)的輸出為正，即該接法下，以buck方向電感電流為正。此時，Ugsa驅(qū)動始終對應buck主管，即圖2中Q2管；Ugsb驅(qū)動對應圖2中Q1管。同樣地，當發(fā)生正反向電流切換時，無需切換主輔管。

由以上兩種接法可看出：母線電壓外環(huán)的接法確定了電流正方向，電流正方向確定了Ugsa作為該方向下主控管的驅(qū)動。

圖6所示為母線電壓外環(huán)基準為80 V的仿真波形。開機啟動后空載，100 ms時，接入能饋型負載，母線電壓有一個向上的波動，變換器切換到buck模式充電；200 ms時，能饋型負載退出，母線電壓有一個向下的波動，電感電流調(diào)整至0；300 ms時，接入脈沖負載，母線電壓下降，變換器切換到boost模式放電，400 ms時，脈沖負載退出，母線電壓有一個向上的波動，電感電流調(diào)整至0。通過母線電壓的變化控制充放電方向，使得穩(wěn)態(tài)時母線電壓維持在80 V，實現(xiàn)了基于直流母線電壓的切換控制方法。

2.2 數(shù)字實現(xiàn)

由于數(shù)字信號處理器DSP（digital signal processor）采用正電源供電，不能處理負值信號，所以若采用DSP控制，需對采樣得到的帶方向的電感電流進行正值處理，同時不破壞整個閉環(huán)控制的邏輯。采用運放構(gòu)成的加法器電路對采樣值增加1.65 V的偏置電壓。若將原采樣值限制在-1.65 V～+1.65 V之間，則增加偏置后，對應輸入DSP的采樣值為0～3.3 V。增加偏置沒有破壞正方向邏輯，因此仍可以在第3.1節(jié)所述的正方向下實現(xiàn)雙向的閉環(huán)控制。

圖6 基于直流母線電壓切換控制的仿真波形Fig.6 Simulation results of switching control based on bus voltage

3 優(yōu)化措施

3.1 增加儲能元件能量管理的優(yōu)化措施

第2.1節(jié)中所述基于直流母線電壓的切換控制方法沒有考慮儲能元件的能量管理。實際使用時，可能會出現(xiàn)過充、過放，影響儲能元件的使用壽命[11]。文獻[12]給出一種考慮超級電容能量狀態(tài)的恒壓閉環(huán)控制方法。如圖7所示，在母線電壓環(huán)輸出處疊加儲能元件端電壓環(huán)的輸出作為電感電流基準，圖中接法以buck方向為正。當母線電壓Ub大于基準電壓Ub_ref時，經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)，輸出一個正的充電電流基準。若此時超級電容的電壓高于最大限壓值Usc_max，則最終給定的電流基準為0，即不對超級電容進行充電。同理，當母線電壓Ub小于基準電壓Ub_ref時，輸出一個負的放電電流基準。此時，若超級電容電壓高于Usc_min，則以該電流基準放電；若超級電容電壓已經(jīng)低于Usc_min，則超級電容不放電，這樣就可以防止過充、過放，起到保護超級電容的作用。

對于超級電容，電壓和能量的關(guān)系滿足為

超級電容的SOC可簡單而準確地判斷為

圖7 含有超級電容能量管理的雙向控制框圖Fig.7 Block diagram of bi-directional control with super-capacitor energy storage system

式中：Csc為超級電容容量；Usc為超級電容端電壓；Urated為超級電容的額定電壓。由于超級電容端電壓及其能量有明確的對應關(guān)系，因此針對其端電壓對其管理即可。而超級電容的端電壓在充放電過程中變化較大，為保證雙向直流變換器的工作性能，一般設(shè)定Usc_min=0.5Urated=0.5Uratedsc_max，則對應的SOC范圍為（0.25,1），此時放電深度為75%。

這種考慮儲能元件能量狀態(tài)的恒壓閉環(huán)控制方法提供了一種在整體充放電趨勢確定的基礎(chǔ)上添加儲能元件能量管理的思路，并且在給定電流正方向后，所有的電壓環(huán)也是有正方向的，即電壓環(huán)的接法可唯一確定。

3.2 減小電池頻繁充放電的優(yōu)化措施

溫度是影響儲能元件壽命的主要因素之一[13]。在一定的環(huán)境溫度下，儲能元件溫升主要由充放電電流決定。對于相同電荷，采用平均電流充放電產(chǎn)生的熱量最小，因此要避免電流基準的頻繁改變。此外，由于化學電池是依靠載流子在電解液中移動來工作的，因此響應頻率有限。它具有雙電層效應，當流過高頻電流時（車載鉛酸蓄電池的正極和負極的截止頻率分別是10 Hz和100 Hz），高頻分量可認為被電池內(nèi)部的雙層電容和電量轉(zhuǎn)移反應的等效電阻組成的RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波，當電流的頻率和幅值足夠高，雙層電容可能會“崩潰”，進而導致電池的混亂或損害[14]。因此要盡量減少電流基準的高頻變化。而基于母線電壓外環(huán)控制方法中電流基準頻繁變化的主要原因就是母線電壓的變化。

為解決該問題，文獻[4]給出2個電壓基準UH和UL，系統(tǒng)控制框圖如圖8所示，以buck方向為正。只有當母線電壓高于較大的電壓基準UH并且超級電容的電壓低于Usc_max時，才給出一個合適的充電電流基準；只有當母線電壓低于較小的電壓基準UL并且超級電容的電壓高于Usc_min時，才給出一個負的放電電流基準。當母線電壓在UH和UL之間時，變換器不工作，這在一定程度上避免了單一母線電壓基準帶來的儲能元件頻繁充放電問題。

上述做法相當于對輸入增加濾波器，即對某部分電壓波動不響應，這樣可以減小輸入或負載擾動帶來的儲能元件頻繁充放電。除此以外，還可以采用非線性的響應方法，相當于對輸出增加濾波器，進行選擇性輸出。文獻[15]中給出一種多滯環(huán)電流基準給定的方案，如圖9所示。在電流基準的給定中增加滯環(huán)環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測母線實時電壓，結(jié)合上時刻母線電壓，確定這一時刻電流基準給定。該做法可以在一定程度上減少儲能元件充放電電流基準的頻繁變化。

圖8 采用分段母線電壓基準的雙向控制框圖Fig.8 Block diagram of bi-directional control using piecewise bus voltage reference

圖9 多滯環(huán)電流給定計算單元Fig.9 Calculation unit of multi-hysteresis current reference set system

3.3 減小母線電壓波動的優(yōu)化措施

由于直流母線上還有其他用電負載或者功率變換器，當母線電壓發(fā)生大的波動時，會使得其余用電負載不能正常工作，增加功率管的應力，影響系統(tǒng)的可靠性。這里需要注意的是，雖然允許儲能元件的頻繁充放電可以在一定程度上減小母線電壓的波動，但影響儲能元件的壽命。因此，改進需從其他角度切入。因為當系統(tǒng)有功率偏差反映到直流母線電壓上時就已經(jīng)有延遲，而通過母線電壓外環(huán)來給出儲能元件的充放電電流基準需要經(jīng)過一個PI調(diào)節(jié)器，積分環(huán)節(jié)會有時間延遲。所以，減小母線電壓瞬時大波動的改進措施通常是加快控制器的響應。

對于采用線性PI控制的變換器來說，通常采用加前饋的方法。文獻[16]提出增加負載電流和超級電容端電壓前饋，可以在母線電壓變化之前將負載變化傳遞到控制環(huán)路，調(diào)節(jié)占空比，減小母線電壓波動；文獻[17]針對地鐵牽引系統(tǒng)，增加了一個速度前饋，自適應調(diào)節(jié)母線電壓基準。如圖10所示，當列車牽引時，提高牽引母線電流基準，此時母線電壓基準抬高，若原來工作在充電模式，則減小充電電流；若原來工作在放電模式，則加大放電電流。相當于提前響應功率需求，可減小母線電壓波動。

圖10 母線電壓基準自適應調(diào)節(jié)控制框圖Fig.10 Block diagram of adaptive control of bus voltage reference

4 結(jié)語

本文首先討論了應用在儲能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器的雙向切換本質(zhì)是改變占空比。對于采用閉環(huán)控制的應用場合，可通過修改電流基準、母線電壓基準或通過母線電壓的變化來直接或間接地改變電感電流基準，進而調(diào)節(jié)占空比以調(diào)節(jié)功率流向或功率大小。本文對基于母線電壓外環(huán)的雙向切換控制方法進行了重點介紹，該方法采用帶方向的電感電流直接閉環(huán)，避免了傳統(tǒng)的采用電感電流絕對值閉環(huán)帶來的主輔管切換問題，通過增加電流基準偏置將電感電流直接閉環(huán)的方法推廣到數(shù)字應用場合。最后，從儲能元件的能量管理、減少化學電池頻繁充放電以及減小母線電壓波動的角度給出了改進著手點，并闡述了相應的改進措施。

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陳菲

陳菲（1990-），女，通信作者，碩士研究生，研究方向：雙向直流變換器及其控制策略，高峰均比脈沖功率的平抑，E-mail：1240566755@qq.com。

張方華（1976-），男，中國電源學會高級會員，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)、可持續(xù)能源發(fā)電及并網(wǎng)控制技術(shù)、航空電源、半導體照明驅(qū)動技術(shù)，E-mail：zhangfh@nuaa.edu.cn。

Control Methods for Bi-directional DC/DC Converters

CHEN Fei,ZHANG Fanghua
（College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China）

The main control target of bi-directional DC/DC converters is to achieve the steady state of the load while considering the state of charge of the chemical storage unit in the energy storage system.When the load power demands more or less than the main power supply provides,the bi-directional DC/DC converter should be controlled to release or absorb energy to make the load work normally.The existing bi-directional control methods are summarized,and the principle of bi-directional switching is introduced.Especially,the double-loop control strategy which has a dc bus voltage outer loop and makes use of the average inductor current with direction information as the inner loop is introduced.Aiming at the problems of the fluctuation of the dc bus voltage and damages done to the batteries when the converter charges or discharges frequently in the constant voltage control method,the corresponding optimizing solutions are expounded.

bi-directional DC/DC converters;energy storage system;principle of bi-directional switching;the dc bus voltage outer loop

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.134

TM46

A

2015-12-10；

2016-03-14

江蘇省“青藍工程”資助項目

Project Supported by Qing Lan Project of Jiangsu province