直流微电网储能系统双向DC-DC变换器相位控制策略研究

2019-03-06耿运涛刘燕凌高士然

船电技术 2019年2期

耿运涛，刘燕凌，高士然

耿运涛1，刘燕凌1，高士然2

（1.邵阳职业技术学院，湖南邵阳 422000； 2.邵阳学院，湖南邵阳 422000）

针对直流微电网储能系统在充放电模式切换时出现的能量回流现象，设计了一个双全桥式双向DC/DC变换器，采用非线性PI控制技术与内外移相角联合控制相结合的控制方式，解决能量回流问题。建立仿真模型，并在采用传统PI移相控制器和非线性PI移相控制器下进行高电压侧输出的启动响应曲线对比分析，最终得出双全桥式双向DC/DC变换器的能量由高电压侧向低电压侧的能量回流状况，仿真结果验证了所采用控制策略的有效性。

直流微电网 DC-DC变换器能量回流移相控制

0 引言

随着大量间歇性分布式电源的普及与应用，使得不存在无功功率分量以及谐波、频率问题的直流微电网系统进入到人们的视线当中[1,2]。由于分布式电源输出能量的特殊性，在直流微电网系统中如果不能有效平衡系统中的能量，会给直流微电网系统的稳定性带来巨大的危害，使得直流电网系统中的能量平衡成为维持系统稳定最为重要的因素[3]。作为直流微电网系统组成部分之一的储能单元成为稳定系统能量的关键，而作为直流母线与储能单元之间纽带的双向DC/DC变换器又是控制储能单元维持直流微电网系统稳定的关键[4]。

本文对储能系统端双向DC/DC变换器进行了设计，针对直流微电网储能系统在充放电模式切换时出现的能量回流现象，提出了一种调整后的移相控制策略来抑制能量回流，并对变换器启动时所带来的冲击问题进行了研究，在采用传统PI移相控制器和非线性PI移相控制器下进行高电压侧输出的启动响应曲线对比分析，仿真结果验证了所采用控制策略的的有效性、可行性。

1 双全桥式双向DC-DC变换器拓扑结构

双向直流变流器可视为两个单向DC/DC变换器相互反向并联，其主要特点在于能量可在同一电路中实现高压端与低压端之间双向流动，其结构原理如图1所示。

图1 单向与双向直流变流器结构图

根据高低压之间是否存在隔离，可将其分为隔离型与非隔离型两大类[5]。

非隔离型变换器是根据能量可逆的基本原理，将单向DC/DC变换器中的功率MOS场效应晶体管与功率二极管处分别并联功率二极管与功率MOS场效应晶体管。非隔离型双向直流变流器优点在于较少的器件，使得整体电路的结构简单、效率较高以及可靠性较高，但在大功率应用下，流经无源器件电感与电容的电流过大，致使电感与电容的体积过大，安全性降低，并且在高低压压差要求很大的情况下，会暴露出改变电压压差的能力很弱的缺陷[6]。为解决非隔离型双向直流变流器压差较低、电感体积大的问题，在变换器中引入高频变压器，采用如图2所示的双全桥式双向直流变流器。

图2 双全桥式双向直流变流器

图2中电压UU分别为高压侧和低压侧电压；H与L分别为高电压侧与低电压侧的滤波电容；高电压侧两个桥臂由功率MOS场效应晶体管S1、S2与S3、S4分别组成；低电压侧两个桥臂由功率MOS场效应晶体管S5、S6与S7、S8分别组成；所有功率MOS场效应晶体管上，分别并联功率二极管，为电流提供续流路径；电感为高频变压器高电压侧的漏感；采用变比为N：1（N>1）的高频变压器来增大高低电压侧压差，同时隔离高低电压侧回路。

2 双全桥式双向DC/DC变换器相位控制策略

2.1 双全桥式双向DC/DC变换器闭环控制系统

移相控制策略（PSM）是指将每一个桥臂作为一个独立的控制单元，通过改变每个单元之间的相位关系来实现不同的能量流动方式，也是实现软开关的重要途径之一[7]。

本双全桥式双向直流变流器采用输出功率闭环控制与外移相角控制内移相角的联合方式。以输出功率作为反馈值用来调整外移相角，用调整后的外移相角作为内移相角的调整信号，用来改变内移相角，最后将调整后的外移相角与内移相角信号传递给驱动。其控制系统结构图如图3所示。

图3 控制系统结构图

功率闭环控制系统的优点在于，当系统的输出端的负载发生变化时，功率闭环保证输出端功率的稳定，与此同时，内移相角的自适应调节可以根据输出端的能量变化调整内移相角，来限制能量回流。

2.2 内外移相角联合控制

为了提高功率环控制器的自适应性以及快速响应能力，将非线性PI控制技术应用到PSM控制技术中，控制结构图如图4所示。

图4 控制结构图

3 仿真结果分析

为了验证内外移相角联合技术对能量回流现象的效抑制效果，采用Matlab的Simulink搭建双全桥式双向直流变流器仿真模型，进行仿真分析。同时，针对高电压侧输出的启动响应曲线，分别采用传统PI移相控制器和非线性PI移相控制器来对比分析。

图5为输出功率为400 W时的内外移相角以及其对应的能量交换电感上的电流波形。波形图从上向下为：MOS管S1，S3，S2，S4，S5，S6，S7，S8的驱动信号G1，G2，G3，G4，G5、8，G6、7，高频变压器高电压侧电压，高电压侧输电流0，高电压侧能量交换电感L的电流L。

图5 双重移相控制策略驱动与能量流动波形

从图5中可以看出双重移相控制策略在加入内移相角后，能量的回流现象得到了明显的抑制，稳定输入电流，这直接保护了输入端，尤其是在输入端为蓄电池时，避免了因为能量回流而导致的电池使用寿命缩减。

设置传统PI控制器初始参数：K=3、K=1.5，其启动波形如图6所示；设置非线性PI控制器初始参数：K1=2、K2=20、K3=2、K1=2、K2=2、=50、=0.01，其启动波形如图7所示。

由图5和图6仿真波形可以看出，经采用非线性PI控制器与传统PI控制器相比，非线性PI控制器在超调量以及静态误差上有明显改善，在实际应用中可以有效的降低变换器启动时所带来的冲击。

图6 传统PI控制下的启动波形

图7 非线性PI控制下的启动波形

4 结论

论文提出了一种应用于直流微电网储能系统双向DC-DC变换器中抑制能量回流的控制策略，选取双全桥式作为双向DC/DC变换器的主拓扑结构，采用非线性PI控制技术与内外移相角联合控制相结合的控制方式进行闭环控制，确保直流母线端的功率稳定，有效抑制能量回流现象。同时，对比分析非线性PI控制器与传统PI控制器，得出非线性PI控制器在超调量以及静态误差上有明显改善，在实际应用中可以有效地降低变换器启动时所带来的冲击。

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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

1003-4862（2019）02-023-04