蓄电池—超级电容混合储能系统的充放电控制策略研究

【摘  要】本文通过理论分析，提出一种新型DC-DC变换电路，并探究其控制策略，理论计算和相关理论分析表明该DC-DC变换电路适用于混合储能系统。Matlab/Simulink的仿真得到了混合储能系统工作于不同模式下时超级电容及电路其他部分的输出波形，表明该变换器在应用于混合储能系统时具有电流不间断、开关损耗较小及整合度高的优点，提高了蓄电池使用寿命及混合储能系统的工作效率。

【关键词】控制策略研究;拓扑结构;Buck/Boost;功率密度

引言

DC-DC变换器可以充分结合并发挥蓄电池和超级电容各自的优点，组成混合储能系统以有效改善蓄电池的寿命，提高系统效率。针对蓄电池和超级电容器在上述问题中存在的不足，作者在此提出了一种适用于蓄电池和超级电容组成的混合储能系统的双向DC-DC变换器，其可以使蓄电池和超级电容器有效互补结合，充分发挥各自长处。由该双向DC-DC变换器组成的混合储能系统可以减少开关器件的有功损耗，及时应对负载侧大功率波动，延长蓄电池的使用寿命。除此以外，该系统结构可靠，有较高的整合度和经济性及实用性。

1.混合储能系统及其直流变换电路

上文所提及，适用于蓄电池-超级电容混合储能系统的新型双向DC-DC变换器的拓扑结构如下图1所示，其本质是蓄电池和超级电容器共用同一套DC/DC变换器，其中DC/DC变换电路部分由升降压典型斩波电路组合而成，经由此途径实现功率的双向流动。

1.1负载电压平均值及电压增益：

Buck模式下，电路及其器件满足如下方程约束：

其中设d2为全控器件S1占空比，则由上述公式可推导出电压增益G及负载电压平均值为：

同理在Boost模式下，电路仍受（1）部分公式及伏秒平衡的约束，则：

2.控制策略研究及仿真论证（Matlab/Simulink）

2.1控制策略研究

系统采用独立 PWM 控制，其控制信号发生图如图 2所示。将电感电流作为控制信号，利用理想电感电流值和实际测量电感电流值产生的稳态误差，通过 PI控制器和输出限幅环节产生调制信号，将该调制信号作为PWM发生器的输入信号，然后PWM信号与给定的三角载波信号进行比较即可得到全控器件 S1 或者 S2 的控制信号输出。

2.2 Matlab/Simulink仿真

采用Matlab/Simulink搭建理论模型对该系统进行仿真，论证该混合储能系统可行性及其充放电特性。仿真电路图如下图3所示。

在Buck工作模式下，全控器件的一个周期Ts内电感电流的波形始终处于周期振荡状态，且在全控器件导通前期存在较大的超调现象，在經过过渡期后会迅速趋于稳定，稳定值于X轴下方保持连续，方向与前一状态相反;而全控器件S1在诸多周期内反复动作时，电感电流的值在多个周期内也在不停反复变化，由此可知电感的储能情况是在跟随全控器件S1的动作而变化的。

预充电回路监视并保护超级电容荷电状态长期维持在一个较高的水平，由下图4可知，当超级电容的放电深度在20%时，预充电回路可迅速拉升其电压至100V并稳定，由此最大限度保护了超级电容的工作状态，从时间轴上可以看见电路暂态时间极短，在0.05S内完成充电动作并维持其电压不变;系统工作于Boost模式下时，直流母线侧负载突然增大，其电压波动情况如下右图4所示。由波形可知，在负载电压平滑上升趋于稳定后其中间经历了一个电压骤降的暂态过程，该过程有效模拟了城市轨道列车启动和电车起步时直流母线侧状态，但由于Boost电路的作用，暂态过程极短的渡过，随后负载电压再次趋于稳定，Boost模式及预充电回路的有效性得以验证。

3.结语

该双向DC-DC变换电路在混合储能系统中有较大的可行性，通过公式计算及Simulink仿真基本验证了该电路在理论上的有效性;其本质是Buck/Boost电路在拓扑结构上的重组，既没有改变电压增益G也没有改变负载平均电压Uo输出，但实现了对开关应力的有效降低及直流变换电路的高度整合，降低了经济成本，缩小了系统体积，有效发挥了蓄电池及超级电容的优点，尽可能保证了蓄电池的使用寿命;立项课题所研究的独立PWM控制策略可靠性高，独立性强。

参考文献

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作者简介：李思淋，男，汉族，重庆九龙坡人，本科。