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基于自适应虚拟阻抗的DC-DC变换器均流控制

2016-08-05钱学伟程志江

钱学伟,姜 波,程志江

(新疆大学 电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047)



基于自适应虚拟阻抗的DC-DC变换器均流控制

钱学伟,姜波*,程志江

(新疆大学 电气工程学院,新疆 乌鲁木齐 830047)

摘要:在多DC-DC变换器并联系统中,经常采用环流反馈回路中引入虚拟阻抗的均流方法,此方法精度高且成本低,但当系统负载突变时均流精度会降低.针对虚拟阻抗法在负载突变时均流精度降低的问题,提出一种自适应匹配虚拟阻抗值实现均流的方法.仿真结果表明,在负载突变时自适应虚拟阻抗匹配法具有很好的均流效果,且不影响并联系统的稳定性和输出特性.

关键词:并联DC-DC变换器;负载突变;自适应虚拟阻抗匹配法;均流控制

分布式光伏发电的储能系统由多台蓄电池和多台超级电容器并联组成,形成多组双向DC-DC变换器并联的拓扑结构.这种多组并联结构在充放电的过程中会出现不均流现象,从而使多台Boost-Buck并联系统内部出现环流冲击等问题[1-3],因此并联均流技术成为混合储能领域的研究热点之一[4].为了解决并联系统中的环流冲击,需要在各个DC-DC变换器模块之间采用有效的均流措施[5-8].早期的附加环流电抗器方法收到了一定效果,但会产生压降和增加成本的问题.后来出现了虚拟并机电感方法,此方法虽然降低了成本,但同样会产生压降.

虚拟阻抗均流法[10-13]的出现解决了传统方法产生压降的问题,而且有很好的均流精度.此方法在环流反馈通路中引入虚拟阻抗,通过调节虚拟阻抗实现均流,负载恒定的情况下均流精度很高,但当负载突变时均流精度会降低. 笔者拟提出自适应虚拟阻抗均流控制策略,在虚拟阻抗均流法的基础上,将虚拟阻抗值人为调节模式改进为自适应匹配模式,即通过对虚拟阻抗值的自适应调节来保证负载突变时的均流精度.

1双向DC-DC变换器原理

Boost-Buck型双向DC-DC变换器(即双向半桥变换器)也称升降压式变换器[9],是非隔离型双向DC-DC变换器的一种,可以看成由Boost变换器和Buck变换器反并联而成,是电流双象限运行的直流变换器,电路拓扑结构如图1所示.

图1 双向Boost-Buck变换器的电路拓扑结构Fig.1 Circuit topology of bidirectional Boost-Buck converter

由图1可见,电路可视为由T1和D2组成的Buck电路和T2和D1组成的Boost电路的组合.电能由电源输向负载时,T1和D2工作,输出电流的平均值Io>0,电路工作于第一象限;相反,当有源负载向电源反馈能量时,T2和D1工作,Io<0, 电路工作于第二象限.

2Boost-Buck变换器并联系统的环流特性分析

储能系统的输出端与直流母线连接,为了保证直流母线电压稳定,则要求Boost-Buck变换器的输出电压稳定.图2为采用双闭环控制的Boost-Buck变换器控制框图.

图2 Boost-Buck变换器控制框图Fig.2 Boost-Buck converter control block diagram

在Uin不变时,理想的Boost-Buck变换器具有比例放大功能,但它只对调制波进行线性放大,K为比例系数.图2中,C(s)为滤波电容,ic为电容电流;Uref为参考电压,Uo为Boost-Buck变换器模块的输出电压、Ua为Boost-Buck变换器理想输出电压、Ue为开关管偏差电压;G1(s)和G2(s)均采用PI调节,Gvc(s)为电容电流采样网络传递函数,Gv(s)为输出电压采样网络传递函数.

两台Boost-Buck变换器并联电路如图3所示,其中两个模块的控制参数都与主电路参数一致.

图3 两台Boost-Buck变换器并联电路图Fig.3 Parallel circuit diagram of two Boost-Buck converter

当两个模块均采用图2所示的控制方案时,各Boost-Buck变换器模块传递函数为

(1)

其中:R为Boost-Buck变换器模块的等效负载电阻.闭环特征方程为

则Boost-Buck变换器模块的闭环等效输出阻抗为

开环时To(s)=1,令Lo(s)=KG2(s),可知开环等效输出阻抗为Zo(s)=Lo(s)/To(s).

根据式(1)和图3,可得并联系统的输出方程为

(2)

其中:Urav(s)为并联系统的平均参考电压;Ueav(s)为平均偏差电压;Io(s)为并联系统的输出电流.由式(1)~(2)可得两个模块间的环流Ihi(s)为

(3)

根据式(1)~(3),可得开环环流为

(4)

由式(3)~(4)可知,环流与各模块的正弦参考电压与偏差电压的差异有关.硬件参数差异是不可调的,要想抑制环流则需要调节Uref(s),但是由于反馈的存在,闭环等效输出阻抗Zoc(s)远小于开环等效输出阻抗Zo(s),这反而不利于并联系统的环流抑制,但若此时引入虚拟环流阻抗便可解决这个问题.

3虚拟环流阻抗对Boost-Buck变换器并联系统环流的抑制

在电容电流双闭环控制的基础上外加环流反馈,并在环流反馈回路中引入虚拟环流阻抗,通过调节虚拟环流阻抗来实现并联系统的均流.加入虚拟阻抗后的Boost-Buck变换器控制框图如图4所示.

图4 加入虚拟阻抗后的Boost-Buck变换器控制框图Fig.4 Control block diagram of Boost-Buck converter after adding virtual impedance

由图4可知,并联系统的输出特性方程为

(5)

由式(5)可知,在Boost-Buck变换器的双闭环控制外,引入虚拟环流阻抗的环流反馈不影响整个并联系统的输出特性.由图4和式(5)可知,引入环流反馈后,并联系统各模块的环流为

(6)

由式(6)可知,式中分母里的Loc(s)和KG2(s)均为不变值,调节引入的虚拟环流阻抗Zv到合适且足够大时,可使并联系统达到均流.

4自适应虚拟阻抗匹配法

虚拟阻抗可配置为阻性或感性,该文选择纯阻性的虚拟阻抗设置,以获得较高的均流精度[11].由于负载发生变化时,虚拟阻抗值需要重新配置才能保证均流效果不变,为了应对这种情况笔者提出了自适应虚拟阻抗匹配法.

平均环流IH(i)的表达式为

(7)

其中:m为周期Ts内的采样次数,一般取为5~10.

通过比较来确定是否发生电流不均衡现象,电流不均衡的判别依据为

(8)

其中:ΔIH为平均环流阈值.

考虑到虚拟阻抗值调节的速度问题,引入速度因子

(9)

当出现电流不均衡情况时,需要通过调整虚拟阻抗Zv值,从而调整传递函数为G2(s)的PI控制器输入端的电流参考值, Zv的初始值Zv(0)=0,Zv的表达式为

(10)

其中:参数0.5的取值是根据仿真实验确定的,这样取值是为了防止速度因子λ较大时,Zv在其最佳值附近出现振荡.

传递函数为G2(s)的PI控制器输入端的电流参考值的增量ΔIref(i)为

(11)

如图4所示,ΔIref(i)经过传递函数为G2(s)的PI控制器加到PWM发生器上,从而改变并联系统环流大小.自适应过程即当并联系统出现不均流时,判断环流大小是呈上升还是下降的趋势,得到相应的速度因子λ,进而自动调节虚拟阻抗值,使之增大或减小达到最优值.自适应虚拟阻抗匹配法的流程如图5所示.

图5 自适应虚拟阻抗匹配法的流程Fig.5 Flowchart of adaptive virtual impedance matching method

5仿真实验

在Simulink中搭建了如图3所示的两台Boost-Buck变换器并联仿真模型. 图3中C1和C2均为1 mF,电感值L1=0.4 H,L2=0.5 H,阈值ΔIH为0.05 A.设额定容量为5 kVA,载波频率为1 kHz,笔者进行了Boost-Buck变换器的均流仿真试验.图6、7分别为采用虚拟阻抗法和自适应虚拟阻抗匹配法的各模块输出电流及环流的波形.

图6 采用虚拟阻抗法的输出电流及环流Fig.6 Output current and circulating current in the virtual impedance method

图7 采用自适应虚拟阻抗匹配法的输出电流及环流Fig.7 Output current and circulating current in the adaptive virtual impedance matching method

从图6可以看出,负载突变时采用虚拟阻抗法的均流效果较差,环流高达2.5 A,远大于阈值0.05 A.从图7可以看出,稳态环流小于阈值0.05 A;负载Z=20 Ω时,系统达到均流状态时,稳态环流为0.008 A;当t=0.5 s时负载发生突变,此时Z=10 Ω,突变瞬间系统出现环流,之后很快重新实现均流,稳态环流为0.005 A;当t=1.2 s负载变为20 Ω时,系统同样很快实现了均流.分析图6、7可知:对比虚拟阻抗法,自适应虚拟阻抗匹配法能更好地解决负载突变的均流问题.

6结束语

针对储能系统中的双向DC-DC变换器并联系统环流问题,笔者提出了基于自适应虚拟阻抗的均流控制策略.通过虚拟阻抗的自适应匹配,在不改变并联系统输出外特性的前提下,能对DC-DC变换器主电路参数差异引起的环流表现出很好的抑制作用,特别是当负载突变时,仍能很好地实现均流.此方法为分布式光伏发电混合储能系统DC-DC变换器的均流控制提供了一种可行的解决方案.

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(责任编辑郑小虎)

doi:10.3969/j.issn.1000-2162.2016.04.011

收稿日期:2015-10-11

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51567022)

作者简介:钱学伟(1989-),男,湖南桃源人,新疆大学硕士研究生;*姜波(通信作者),新疆大学教授,硕士生导师,E-mail:jiangbo@xju.edu.cn.

中图分类号:TM715

文献标志码:A

文章编号:1000-2162(2016)04-0067-06

Load-sharing control of DC-DC converter based on adaptive virtual impedance

QIAN Xuewei, JIANG Bo*, CHENG Zhijiang

(School of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi 830047, China)

Abstract:Introducing in the virtual impedance method into circulating current feedback loop is commonly used in multiple DC-DC converter parallel system, which has high accuracy and low cost. But when the system load mutates, current sharing precision will decrease. Aiming at the precision problem, an adaptive matching method of virtual impedance was proposed. The simulation results of the adaptive virtual impedance method showed effectiveness with the load mutation, meanwhile did not affect the stability and output characteristics of the parallel system.

Keywords:parallel DC-DC converter; load mutation; virtual impedance matching method; current-sharing control