直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器相位控制策略研究

耿運濤，劉燕凌，高士然

直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器相位控制策略研究

耿運濤1，劉燕凌1，高士然2

（1.邵陽職業(yè)技術學院，湖南邵陽 422000； 2.邵陽學院，湖南邵陽 422000）

針對直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)在充放電模式切換時出現(xiàn)的能量回流現(xiàn)象，設計了一個雙全橋式雙向DC/DC變換器，采用非線性PI控制技術與內(nèi)外移相角聯(lián)合控制相結合的控制方式，解決能量回流問題。建立仿真模型，并在采用傳統(tǒng)PI移相控制器和非線性PI移相控制器下進行高電壓側(cè)輸出的啟動響應曲線對比分析，最終得出雙全橋式雙向DC/DC變換器的能量由高電壓側(cè)向低電壓側(cè)的能量回流狀況，仿真結果驗證了所采用控制策略的有效性。

直流微電網(wǎng) DC-DC變換器 能量回流 移相控制

0 引言

隨著大量間歇性分布式電源的普及與應用，使得不存在無功功率分量以及諧波、頻率問題的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)進入到人們的視線當中[1,2]。由于分布式電源輸出能量的特殊性，在直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中如果不能有效平衡系統(tǒng)中的能量，會給直流微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來巨大的危害，使得直流電網(wǎng)系統(tǒng)中的能量平衡成為維持系統(tǒng)穩(wěn)定最為重要的因素[3]。作為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)組成部分之一的儲能單元成為穩(wěn)定系統(tǒng)能量的關鍵，而作為直流母線與儲能單元之間紐帶的雙向DC/DC變換器又是控制儲能單元維持直流微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵[4]。

本文對儲能系統(tǒng)端雙向DC/DC變換器進行了設計，針對直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)在充放電模式切換時出現(xiàn)的能量回流現(xiàn)象，提出了一種調(diào)整后的移相控制策略來抑制能量回流，并對變換器啟動時所帶來的沖擊問題進行了研究，在采用傳統(tǒng)PI移相控制器和非線性PI移相控制器下進行高電壓側(cè)輸出的啟動響應曲線對比分析，仿真結果驗證了所采用控制策略的的有效性、可行性。

1 雙全橋式雙向DC-DC變換器拓撲結構

雙向直流變流器可視為兩個單向DC/DC變換器相互反向并聯(lián)，其主要特點在于能量可在同一電路中實現(xiàn)高壓端與低壓端之間雙向流動，其結構原理如圖1所示。

圖1 單向與雙向直流變流器結構圖

根據(jù)高低壓之間是否存在隔離，可將其分為隔離型與非隔離型兩大類[5]。

非隔離型變換器是根據(jù)能量可逆的基本原理，將單向DC/DC變換器中的功率MOS場效應晶體管與功率二極管處分別并聯(lián)功率二極管與功率MOS場效應晶體管。非隔離型雙向直流變流器優(yōu)點在于較少的器件，使得整體電路的結構簡單、效率較高以及可靠性較高，但在大功率應用下，流經(jīng)無源器件電感與電容的電流過大，致使電感與電容的體積過大，安全性降低，并且在高低壓壓差要求很大的情況下，會暴露出改變電壓壓差的能力很弱的缺陷[6]。為解決非隔離型雙向直流變流器壓差較低、電感體積大的問題，在變換器中引入高頻變壓器，采用如圖2所示的雙全橋式雙向直流變流器。

圖2 雙全橋式雙向直流變流器

圖2中電壓UU分別為高壓側(cè)和低壓側(cè)電壓；H與L分別為高電壓側(cè)與低電壓側(cè)的濾波電容；高電壓側(cè)兩個橋臂由功率MOS場效應晶體管S1、S2與S3、S4分別組成；低電壓側(cè)兩個橋臂由功率MOS場效應晶體管S5、S6與S7、S8分別組成；所有功率MOS場效應晶體管上，分別并聯(lián)功率二極管，為電流提供續(xù)流路徑；電感為高頻變壓器高電壓側(cè)的漏感；采用變比為N：1（N>1）的高頻變壓器來增大高低電壓側(cè)壓差，同時隔離高低電壓側(cè)回路。

2 雙全橋式雙向DC/DC變換器相位控制策略

2.1 雙全橋式雙向DC/DC變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)

移相控制策略（PSM）是指將每一個橋臂作為一個獨立的控制單元，通過改變每個單元之間的相位關系來實現(xiàn)不同的能量流動方式，也是實現(xiàn)軟開關的重要途徑之一[7]。

本雙全橋式雙向直流變流器采用輸出功率閉環(huán)控制與外移相角控制內(nèi)移相角的聯(lián)合方式。以輸出功率作為反饋值用來調(diào)整外移相角，用調(diào)整后的外移相角作為內(nèi)移相角的調(diào)整信號，用來改變內(nèi)移相角，最后將調(diào)整后的外移相角與內(nèi)移相角信號傳遞給驅(qū)動。其控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結構圖

功率閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于，當系統(tǒng)的輸出端的負載發(fā)生變化時，功率閉環(huán)保證輸出端功率的穩(wěn)定，與此同時，內(nèi)移相角的自適應調(diào)節(jié)可以根據(jù)輸出端的能量變化調(diào)整內(nèi)移相角，來限制能量回流。

2.2 內(nèi)外移相角聯(lián)合控制

為了提高功率環(huán)控制器的自適應性以及快速響應能力，將非線性PI控制技術應用到PSM控制技術中，控制結構圖如圖4所示。

圖4 控制結構圖

3 仿真結果分析

為了驗證內(nèi)外移相角聯(lián)合技術對能量回流現(xiàn)象的效抑制效果，采用Matlab的Simulink搭建雙全橋式雙向直流變流器仿真模型，進行仿真分析。同時，針對高電壓側(cè)輸出的啟動響應曲線，分別采用傳統(tǒng)PI移相控制器和非線性PI移相控制器來對比分析。

圖5為輸出功率為400 W時的內(nèi)外移相角以及其對應的能量交換電感上的電流波形。波形圖從上向下為：MOS管S1，S3，S2，S4，S5，S6，S7，S8的驅(qū)動信號G1，G2，G3，G4，G5、8，G6、7，高頻變壓器高電壓側(cè)電壓，高電壓側(cè)輸電流0，高電壓側(cè)能量交換電感L的電流L。

圖5 雙重移相控制策略驅(qū)動與能量流動波形

從圖5中可以看出雙重移相控制策略在加入內(nèi)移相角后，能量的回流現(xiàn)象得到了明顯的抑制，穩(wěn)定輸入電流，這直接保護了輸入端，尤其是在輸入端為蓄電池時，避免了因為能量回流而導致的電池使用壽命縮減。

設置傳統(tǒng)PI控制器初始參數(shù)：K=3、K=1.5，其啟動波形如圖6所示；設置非線性PI控制器初始參數(shù)：K1=2、K2=20、K3=2、K1=2、K2=2、=50、=0.01，其啟動波形如圖7所示。

由圖5和圖6仿真波形可以看出，經(jīng)采用非線性PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器相比，非線性PI控制器在超調(diào)量以及靜態(tài)誤差上有明顯改善，在實際應用中可以有效的降低變換器啟動時所帶來的沖擊。

圖6 傳統(tǒng)PI控制下的啟動波形

圖7 非線性PI控制下的啟動波形

4 結論

論文提出了一種應用于直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器中抑制能量回流的控制策略，選取雙全橋式作為雙向DC/DC變換器的主拓撲結構，采用非線性PI控制技術與內(nèi)外移相角聯(lián)合控制相結合的控制方式進行閉環(huán)控制，確保直流母線端的功率穩(wěn)定，有效抑制能量回流現(xiàn)象。同時，對比分析非線性PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器，得出非線性PI控制器在超調(diào)量以及靜態(tài)誤差上有明顯改善，在實際應用中可以有效地降低變換器啟動時所帶來的沖擊。

[1] 楊奕, 萬春梅, 申小松. 雙向DC-DC電源軟件設計[J]. 西南大學學報(自然科學版), 2017, 39(10): 175-180.

[2] 張斌, 李宏. 鋰電池化成用雙向DC-DC變換器設計[J]. 微型機與應用, 2015, 34(9): 40-42.

[3] 趙彪, 于慶廣, 孫偉欣. 雙重移相控制策略的雙向全橋DC-DC變換器及其功率回流特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(12): 43-50.

[4] 劉家贏, 韓肖清, 王磊, 張鵬, 王靖. 直流微電網(wǎng)運行控制策略[J]. 電網(wǎng)技術, 2014, 38(9): 2356-2362.

[5] 鄭光磊, 李立, 劉剛. 多電池組儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器的研制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2011, 39(3): 90-94.

[6] 潘侖, 張昱, 高凌燕. 基于TMS320F2812的光伏發(fā)電系統(tǒng)用雙向DC-DC變換器[J]. 微型機與應用, 2012, 31(4): 20-22.

[7] 湯正. 基于STC12C5A60S2的雙向DC-DC變換器的系統(tǒng)設計[J]. 科技展望, 2016, 26(17): 126-128.

Research on Phase Control Strategy of Bidirectional DC - DC Controller of DC Microgrid Energy Storage System

Geng Yuntao1, Liu Yanling1, Gao Shiran2

(1.Shaoyang Polytechnic, Shaoyang 422000, Hunan China; 2.Shaoyang University, Shaoyang 422000, Hunan China)

TM46

A

1003-4862（2019）02-023-04

2018-09-03

湖南省2017年省教育廳科學研究項目《直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC-DC控制技術研究》（17C1468）項目主持人：耿運濤。

耿運濤（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子變換與控制技術。E-mail: 718291713@qq.com