基于三端口双向DC/DC 储能变流器的电流内环控制策略研究

胡平

摘 要：多端口双向DC/DC储能变流器是一种进行能量控制变换的电力电子装置，是一种新型前沿技术，在以风力发电、光伏发电、燃料电池发电多能互补的智能微电网系统以及电动汽车能量管理控制系统中有着良好发展前景。系统主拓扑结构是以三端口双向DC/DC变换器作为储能装置，分别连接负载端、超级电容器和蓄电池，所组成的电动汽车充放电能量管理系统。通过对三端口双向DC/DC 储能变流器的控制策略的深入研究，采用状态空间法和波特图的形式来研究电流内环控制策略，实现储能装置在发电系统及电动汽车能量管理系统中的稳定应用，改善电能的利用效率。

关键字：变流器；电流内环；微电网

中图分类号：TM315 文献标志码：A

Research on Current Inner Loop Control Strategy Based on Three-port Bidirectional DC / DC Energy Storage Converter

HU Ping

（Shaanxi Polytechnic Institute Xianyang，shaanxi 712000，China）

Abstract：Multi-port bidirectional DC / DC energy storage converter is a power electronic device that can perform energy control and conversion，It is a new frontier technology which has a good development prospects in the smart micro-grid system and in the electric vehicle energy management control system what wind power，PV power generation and fuel cell power generation can complement each other.In this paper，the main topology of the system is a three-port bi-directional DC / DC converter as the energy storage device，respectively，connected to the load side，super capacitors and batteries which build up the electric vehicle charge and discharge energy management system.Through in-depth study of the three-port bidirectional DC / DC energy storage converter control strategy，we use the state space method and the form of the Bode diagram to study the current inner loop control strategy for achieving stability and application of the energy storage devices in power generation systems and electric vehicle energy management system，and improving utilization efficiency of electric energy.

Key words：converter；current inner loop；micro-grid

1 三全橋DC/DC变换器拓扑结构及等效电路分析

1.1 三全桥主电路拓扑结构

三端口全桥双向DC/DC变换器，其有两个输入模块，一个输出模块。输入模块采用电流型全桥结构，在电源处串联大电感实现电流稳定，输出模块采用电压型全桥结构，在负载处并联大电容保证电压稳定。而能量传输单元则采用的是变压器，该变压器是高频三绕组耦合变压器，可以实现电气隔离。图1是三全桥双向DC/DC变换器主拓扑结构，VBT是低压蓄电池端口，VSC是低压超级电容端口，V0属于高压负载端口，Tr是连接三个端口的三绕组的变压器[1]。Lr1和Lr2是隔离变压器原边端口漏感，Lr3是隔离变压器副边端口的漏感。在正向供电模式下，超级电容VSC和蓄电池VBT共同工作一起供电，负载侧V0接收VSC和VBT提供的能量传输，在反向工作模式时，负载通过燃料电池或光伏电池给低压端的蓄电池和超级电容进行储蓄电能的传输[2]。该变流器不仅可以进行能量双向流动，而且由于变压器的加入，实现了电气隔离和电路的易操作性，全桥结构相较于半桥结构的优点是可以根据调节电压间移向角，三端口输入电压的高低，以及占空比，使得DC/DC变换器能够更好地满足输入电压范围，达到理想环境[3][4]。

三端口双向变流器采用移相的方式对电压进行调节，φ13是负载侧电压与蓄电池侧电压的移相角，φ23是负载侧电压和超级电容侧电压的移相角，φ12是超级电容侧电压和蓄电池侧电压的移相角，D1是超级电容侧占空比，D2是蓄电池侧占空比[5][6]，通过实验数据表明，可以实现超级电容组以及蓄电池组共同工作给负载供能，当修改移相角φ13、φ23、φ12与占空比D1、D2时，可以实现任意比例给负载提供功率，改变三端口之间传输与接收功率的方向与大小，实现可控化[7][8]。

1.2 变换器等效电路

在进行分析前需要将变压器拓扑结构进行简化，三绕组变压器有两个低压电路端，一个高压负载端，可以等效为Y型和△型。由于篇幅原因，此处只介绍Y型等效电路模型，△型简化模型可以自行查阅资料，在变压器的Y型简化等效模型中，变压器上各绕组的漏感的电感量均折算到原边。如图2所示。图2是三端口全桥双向（TAB）DC/DC变换器以原边为参考的Y型等效电路。其中ir1、ir2和ir3为变压器各端口处折算到原边的绕组电流，vr1、vr2和vr3为变压器各端口处折算到原边的绕组电压。由于TAB变换器的低压侧和高压侧能量传递元件是变压器Tr，因此在进行电路的简化电路分析时，可以用漏感Lr1、Lr2和Lr3来代替变压器三端口绕组端。endprint

1.3 三全桥DC/DC变换器能量流动和控制方式

储能双向变流器的能量控制方式一直是电动汽车的关键问题，蓄电池和超级电容由于自身工作特性，既可以充电，也可以放电，双向DC/DC变换器可以分为正向与反向两种工作模式，图3是三端口变换器能量流动图，从图中可以看出，端口1，端口2和端口3通过TAB进行相连，能量传输是双向的，既能充电，也能放电。变换器上的开关管S1～ S12可以通过控制电路上PWM的控制策略来调整占空比大小与通断顺序。这样就能实现多电源与负载的双向能量管理，及时的给负载提供电能，实现电动汽车的普及。

如图3所示，当P13 >0、P12 >0、P23 >0时，变换器为正向Boost升压模式下工作。（P13=P1-P3，以下亦如此类）。蓄电池给超级电容和负载供电，蓄电池给负载供电。当P13<0、P12 >0、P23 <0时，变换器为反向Buck降压模式下工作。负载侧电源给蓄电池和超级电容供电，蓄电池同时为超级电容提供辅助充电[9]。正是由于VSC和VBT双电源的工作特性，在双向变换器的能量传输方向方面，永远是蓄电池给超级电容提供功率，正向模式下同时向负载供电，反向模式时负载给两者充电[10]。

2 基于三端口DC/DC变换器的能量管理控制策略研究

在电动汽车以及智能微电网系统的工作模式中，DC/DC变换器都需要进行电压的恒压控制，使负载端电压即高压侧母线电压在正常运行情况下或者外部干扰的情况下都需要保持稳定状态[11][12]。这就需要电压外环控制策略的研究，同时为了防止蓄电池和超级电容在长时间使用状态下由于氧化劳损的原因发生过充和过放电现象，对蓄电池和超级电容的充放电方式进行管理，实现过流保护。输入端是电流型全桥结构，因为直流电源处的大电感的接入，使得输入电流稳定连续，变换器采用平均电流控制方法，即电压外环控制输出直流母线电压，电流内环控制来自两个输入端的电感电流，从而实现电压与电流控制[13]。但是电压电流的双闭环控制的影响，电路系统会因为相互干扰而产生谐波，所以必须进行解耦控制[14]。

2.1 TAB变换器电流内环解耦设计

通过公式转化，从式2-2可知，通过解耦网络H的设计，系统已经从原来的多对多的互相耦合的控制模式转换成单对单的控制系统，即一个输出对应一个输入，实现了系统的解耦控制。如图2所示为电流内环系统解耦控制图，式（3）和（4）分别是电感电流i1和i2的等效闭环系统中的开环传递函数。从而可以通过分析式（3）中的x1和式（4）中的x2来对电流内环进行稳定性研究，并且对i1和i2的控制回路的电流调节器进行设计。

2.2 电流内环调节器设计

通过MATLAB计算得出ans=4，系统是不可控系统。对解耦后的传递函数x1进行波特图（Bode Diagram开环对数频率特性曲线，可以准确地提供稳定性和稳定裕度的信息，来衡量闭环系统稳态和动态性能）分析，通过Matlab/Simulink进行函数波特图图形绘画，如图3绿线所示，可知该函数的相角裕度为γ=-0.178 °，属于不稳定系统，所以需要对电流内环i1进行补偿器设计，以满足稳定需求，通过大量实验与经验分析所得，校正装置的传递函数为：

Gi1（s）=（τ1s+1）（τ2s+1）τs（9）

其中τ1=0.00035、τ2=0.000032、τ3=0.0023，取电流环的截止频率为1200 Hz。

对传递函数进行分析，因为在实际系统中，需要电流环满足一定的精度要求，并且具有良好的跟随性，所以添加一个积分环节来满足要求，消除或减小稳态误差。添加两个微分环节使幅频特性曲线在高频段的截止频率为-20 dB。所以构造的补偿装置构造函数如上式所示。

通过式（6）和（9）串联所得系统，画出系统波特图，如图5（蓝色是补偿后的波特图，绿色是补偿前的波特图）所示，此时修正后系统的相角裕度（Phase Margin）γ=57.7 °，在工程应用中的45 °～70 °的稳定要求范围内，电流内环i1系统得到补偿，提高了开环截止频率，使系统得到简化最终达到稳定状态。

用相同的方法对电感电流i2的电流内环进行分析。

由传递函数式（7）可知，状态空间表达式如（10）所示：

3 结 论

本文主要介绍一种新型的三端口DC/DC储能变流器的拓扑结构，实现蓄电池、超级电容和负载的双向能量交换，通过控制单元可以改变功率的大小与方向，从而实现三端口变流器在电动汽车以及智能微电网系统中的应用。然后介绍电流内环控制策略，从图4与图5可知，在不稳定系统中增加适当的补偿器，可以实现电流内环的稳定控制，从而有效的降低有功功率的震荡的幅值和时间，使系统调节更加灵活稳定。

参考文献

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