基于三端口变换器的混合式电源控制策略研究

任晓霞，夏继宏，林歆悠，杨文耀

（1. 重庆文理学院 电子电气工程学院 重庆市高校新型储能器件及应用工程研究中心，重庆 402160；2. 福州大学 机械工程及其自动化学院，福建 福州 350000）

研究与试制

基于三端口变换器的混合式电源控制策略研究

任晓霞1，夏继宏1，林歆悠2，杨文耀1

（1. 重庆文理学院 电子电气工程学院 重庆市高校新型储能器件及应用工程研究中心，重庆 402160；2. 福州大学 机械工程及其自动化学院，福建 福州 350000）

结合了超级电容器和蓄电池的混合式电源，能充分发挥超级电容器功率密度大和蓄电池的能量密度大的优点，大幅度提高电源性能，满足电动汽车、光伏等具有脉动性负载的要求。对混合式电源中将超级电容器和蓄电池连接起来的功率变换器进行了研究，用带有双向三端口DC-DC变换器替代了常用的单端口双向DC-DC变换器，并提出了一种适用于双向三端口DC-DC变换器能兼顾电池电性能和系统稳定性的控制策略。在MATLAB仿真环境下，建立了系统仿真模型，对其充放电情况进行仿真，验证了变换器结构和控制策略的有效性。

混合式电源；蓄电池；超级电容器；三端口功率变换器；脉动性负载；控制策略

随着电动汽车、光伏、风电等新能源技术的发展，能够完成大量能量储备并能满足负载快速脉动变化的储能系统日益成为研究的热点[1-2]。目前，单种储能元件很难达到这个要求，蓄电池-超级电容器混合式电源，由于可通过超级电容器功率密度大的特点承担系统脉动，通过蓄电池能量密度大的特点满足系统大量储能要求而受到国内外学者普遍关注。

目前针对蓄电池-超级电容器混合式电源的研究很多，主要集中在对其功率变换器及控制策略方面的研究。用于蓄电池-超级电容器的功率变换器主要分为单端口和多端口。单端口的功率变换器的研究热点是双向DC-DC变换器。如文献[3-5]所述，单端口 DC-DC变换器通常采用电力电子直流斩波电路，通过控制器切换斩波电路中电力电子器件的通断实现蓄电池-超级电容器之间以及与输出总线之间的能量流动，其在应用时多采用蓄电池或者超级电容器中的某个储能器件与负载总线直接相连的方式，这就要求与总线直接相连的蓄电池和超级电容器的电压等级必须与总线相同。多端口功率变换器分为隔离型和非隔离型。非隔离型多端口功率变换器与单端口相似，通常采用电力电子的 BUCK、BOOST以及BUCK-BOOST电路，但其一般不用于高升压装置[6-8]。而隔离型多端口功率变换器由于含有变压器，因此可用于高升压装置，但其常用的拓扑结构是半桥和全桥结构[9-11]，器件较多，控制复杂，系统的成本较高。

在控制策略研究方面，目前主要集中于传统的线性控制策略和现代的模糊控制策略。文献[12]中结合BP神经网络对采用单端口DC-DC变换的混合式电源制定了控制策略，研究结果表明当算法收敛性较好时，其控制效果很好，但是BP神经网络本身的收敛性不好，容易陷入局部极小值的问题。结合其他的文献，总体而言，模糊控制策略在某种程度上，或多或少存在由于专家库、收敛性等引起的各种问题。相对而言，传统线性控制策略比较成熟。本文在原有的多端口非隔离型 BUCK-BOOST变换电路优化的基础上，采用传统的线性PID算法设计三端口功率变换器的双闭环控制策略，并通过MATLAB软件对其进行仿真验证。

1 三端口双向DC-DC功率变换器概述

功率变换器是蓄电池-超级电容器混合式电源中连接两个储能器件的桥梁，其作用至关重要。目前常用的混合式电源 DC-DC变换器与储能器件的结构关系如图1所示。其中图1（a）和（b）是采用单端口的 DC-DC变换器与超级电容器或蓄电池相连，图1（c）是采用两个单端口DC-DC分别对超级电容器和蓄电池进行控制。虽然图1（c）的连接方式会让系统的运行更加灵活，但是由于采用两个独立的单端口 DC-DC变换器会使系统的结构和控制变得极为复杂，同时也增加了成本。本文拟采用图1（d）所示的三端口DC-DC变换器结构来实现储能器件的连接，其具体拓扑结构图如图2所示。相对于独立的单端口DC-DC变换器，该变换器在实现两个独立变换器共同作用效果的同时，通过共用电力电子开关及电感让电路变得更加简洁紧凑，且简化了系统的控制。

图1 混合式电源系统结构Fig.1 Construction of hybrid power system

图2所示的三端口BUCK-BOOST变换器电路，图中S1、VD1、S3、VD3构成双向功率变换器，超级电容器既可以向负载升压供电，也可以通过功率变换器接受蓄电池对其降压充电以及吸收负载回馈的能量。蓄电池通过与超级电容器共用电感L2和开关管S3，可实现对超级电容器的充电以及对负载的升压供电。

2 混合式电源控制策略

混合式电源的控制目标是实现负载两端母线电压恒定，由超级电容器承担脉动负载的瞬时功率；蓄电池采用恒流输出方式，蓄电池输出电流的大小是负载电流的平均值。其采用的控制策略总体系统原理框图如图3所示。

图2 三端口DC-DC变换器拓扑结构Fig.2 Topology of three-port DC-DC converter

图3 混合式电源系统控制原理框图Fig.3 Control principle diagram of hybrid power system

本设计总体控制策略是通过采集总线电压、超级电容器以及蓄电池的端电压、电流，通过PID控制算法，采用电压外环和电流内环的双闭环控制算法。具体的实现如图3所示，主要通过三个控制器实现。其中，蓄电池放电控制主要通过采用控制器1采集系统总线电压 Vbus与给定的总线电压值进行比较，控制双向变换器工作于稳压模式，实现直流母线电压的稳定。蓄电池的放电电流控制，主要通过控制器3采集蓄电池端压和放电电流，通过负载功率分量检测环节得到低频功率信号，得出蓄电池放电电流参考值，通过与蓄电池电流值作比较，调节PWM脉冲宽度，实现根据负载电流大小的变化调节蓄电池放电电流的大小的目标；同时监测蓄电池的端电压，当蓄电池过放时，蓄电池已经不能再维持母线电压稳定，应断开负载，对蓄电池进行充电。对超级电容器的控制，主要通过控制器2实现，采集超级电容器的充放电电流，根据负载功率高频分量检测环节的高频功率信号，得出超级电容器充放电电流参考值，通过与超级电容器电流值作比较，实现 PWM脉冲宽度调节，提供或吸收突变功率的高频部分，给蓄电池提供缓冲。其具体控制策略框图如图4、图5所示。

图4 系统控制器1的控制框图Fig.4 Block diagram of the controller 1

图5 控制器2和3的控制框图Fig.5 Block diagram of the controller 2 and 3

3 仿真实验分析

为了验证该控制策略在基于三端口 DC-DC变换器的混合式储能电源上的正确性和可行性，本文使用MATLAB/Simulink搭建了系统的仿真模型，如图6，图7，图8和图9所示。其中图6是系统的主电路图，storage模块是混合式储能模块，其具体的内部封装电路如图7所示。图6和图7中所示，为了模拟负载的变化对系统充放电的影响，采用“受控电压源”模块进行动态设置，而超级电容器为等效电路模型。图8为部分控制系统MATLAB仿真模型。

图6 MATLAB仿真主电路图Fig.6 Main circuit of the MATLAB simulation

图7 MATLAB仿真储能单元电路图Fig.7 Storage block circuit of MATLAB simulation

图8 MATLAB仿真电路控制器部分环节Fig.8 Part of the controller of MATLAB simulation circuit

为了验证该控制策略在三端口 DC-DC变换器中的可行性，本文设定母线电压直流电压参考值为48 V，负载电阻为7.68 Ω，负载功率300 W，蓄电池参数为16 V，60 Ah，超级电容器参数为1 F，初始电压为30 V。受控电压源初始值为0，t=0.5 s时突变为–20 V，t=1 s时突变为10 V。其仿真结果如图9、图10、图11、图12和图13所示。

从图9的仿真结果可以看出，当负载发生变化时，直流母线电压 Vbus即使有短暂的波动，但很快就恢复到 48 V。在负载功率突然增加时，如图 10和图11中0.5 s处所示，超级电容器迅速响应放电，由超级电容器承担负载的突变，而蓄电池则平滑缓慢地调节到负载要求的功率。当负载功率降低时，如图10和图11的1 s时刻所示，超级电容器的功率值为负值，说明此时超级电容器可实现充电恢复。由图12和图13可看出，该混合式储能系统，当负载发生变化时，超级电容器的电流首先迅速上升，而蓄电池放电电流缓慢变化，基本在各个阶段以恒流方式输出。仿真验证了该控制策略能有效实现对基于三端口DC-DC混合式电源的控制。

图9 负载变化时混合式储能电源直流母线的电压波形Fig.9 Voltage of hybrid power’s DC bus when the load changes

图10 负载功率的变化波形Fig.10 The power changes of load

图11 负载功率(a)、超级电容(b)和蓄电池(c)的功率变化曲线Fig.11 The power changes of load (a), supercapacitor (b) and storage battery (c)

图12 超级电容的电流Isc曲线Fig.12 Current Iscof the supercapacitor

图13 蓄电池的电流Ibat变化曲线Fig.13 Current Ibatof the storage battery

4 结论

针对超级电容器-蓄电池混合式电源的 DC-DC变换器进行优化，将一种三端口的DC-DC功率变换器用于混合式电源储能器件的连接。设计了一种基于该三端口DC-DC功率变换器的控制策略，通过控制蓄电池稳定母线电压，通过提供超级电容器负载突变功率的高频分量，使蓄电池基本工作在恒流工作状态。最后采用MATLAB仿真证明了该控制策略的正确性。

[1] BOCKLISCH T. Hybrid energy storage approach for renewable energy applications [J]. J Energy Storage, 2016, 11(8): 311-319.

[2] ZHANG Y, LI Y. Energy management strategy for supercapacitor in autonomous DC microgrid using virtual impedance [C]// Appl Power Electron Conference Exposition. NY: IEEE, 2015: 725-730.

[3] SATHISHKUMAR R, KOLLIMALLA S K, MISHRA M K. Dynamic energy management of micro grids using battery super capacitor combined storage [C]// 2012 Annual IEEE India Conference. NY: IEEE, 2013.

[4] 闫晓金, 潘艳, 宁武, 等. 超级电容器-蓄电池复合电源结构选型与设计 [J]. 电力电子技术, 2010, 44(5): 75-77.

[5] 苏人奇, 任国臣, 程海军. 基于电流可逆斩波电路的光伏储能系统建模和仿真 [J]. 辽宁工业大学学报(自然科学版), 2016, 36(4): 229: 232.

[6] WAI R J, LIN CH Y, LIAW J J, et al. Multi-input DC/DC converters in connection with distributed generation units -a review [J]. Renewable Sustainable Energy Rev, 2016, 66(12): 360-379.

[7] CHEN C W, LIAO C Y, CHEN K H, et al. Modeling and controller design of a semiisolated multiinput converter for a hybrid PV/wind power charger system [J]. IEEE Trans Power Electron, 2015, 30(9): 4843-4853.

[8] DAS M, AGARWAL V. Design and analysis of a high-efficiency DC-DC converter with soft switching capability for renewable energy applications requiring high voltage gain [J]. IEEE Trans Ind Electron, 2016, 63(5): 2936-2944.

[9] 张纯江, 董杰, 刘君, 等. 蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略 [J]. 电工技术学报, 2014, 29(4): 334-340.

[10] 师长立, 唐西胜, 李宁宁, 等. 基于全桥隔离双向变换器的直流变换技术 [J]. 电工技术学报, 2016, 31(2): 121-127.

[11] 江铃, 蔡文, 刘邦银, 等. 一种三端口变换器的建模与控制系统设计[J]. 电力电子技术, 2013, 47(3): 48-50.

[12] 任丽红, 门秀华. 基于超级电容与蓄电池复合动力电源的研究 [J]. 电源技术, 2014, 38(12): 2309-2310.

（编辑：曾革）

Control strategy of hybrid power supply based on three-port converter

REN Xiaoxia1, XIA Jihong1, LIN Xinyou2, YANG Wenyao1
(1. Electronic Engineering Research Center of New Energy Storage Devices and Applications, College of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China; 2. School of Mechanical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350000, China)

The hybrid power supply combining supercapacitors with storage batteries can make full use of the advantages that supercapacitors have high power density and storage batteries have high energy density, which can greatly improve the power characteristic and satisfy pulse loads such as electric vehicles and photovoltaic etc. This paper studies converters of hybrid power supply, which combines storage batteries and supercapacitors. A bidirectional three-port DC-DC converter was used to replace a common signal-port DC-DC converter and a control strategy of bidirectional three-port DC-DC converters was proposed to give consideration to both battery behavior and system stability. The simulation model was built in MATLAB. The simulation results prove that the topology of the converter and the control strategy are efficient by charge-discharge performance.

hybrid power supply; storage battery; supercapacitor; three-port DC-DC converter; control strategy; pulsating load

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.008

TM615

A

1001-2028（2017）09-0033-05

2017-06-06

杨文耀

国家自然科学基金资助项目（No. 51505086）；重庆市教育委员会科学技术研究项目(No. KJ1601118，KJ1601111，KJ1601122)

杨文耀（1982－），男，四川隆昌人，博士后，研究方向主要为超级电容器及储能技术研究，E-mail: yang0220@163.com ；任晓霞（1983－），女，山东烟台人，讲师，主要从事超级电容器器件及储能系统研究，E-mail:renxiaoxia7128@163.com。

时间：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.007.html