宽输入范围DC/DC变换器Burst与双前馈复合控制策略

刘艺 刘宝泉 王伟 陈鹏宇 李润琦

摘 要：蓄电池储能是新能源发电及微电网的核心装备，高动态响应始终是双向DC/DC储能变换器的关键指标.在冲击性负载等大信号变化场景下蓄电池将高倍率放电，内阻因素导致其端电压大幅跌落，限制了后级DC/DC变换器的快速输出能力.为了提升DC/DC变换器在宽输入范围场景下的响应能力，在传统电压闭环基础上，提出了一种Burst模式与输入电压和输出负载前馈的复合控制策略.通过建立输入电压vin和负载电流iload对输出电压vo的扰动函数，分析扰动通道的作用机理和影响因素，快速估算跟踪变换器的稳态工作点，并建立扰动抑制前馈函数，对占空比d进行调节以提升系统的响应速度.进一步设计输出电压vo滞环，通过滞环调节使变换器进入Burst模式以限制大信号变化场景下电压vo的超调和振荡.最后搭建了一台功率为48 kW的实验样机，实验结果表明本文所提出的Burst与双前馈复合控制策略可有效提升大信号干扰下DC/DC变换器的响应速度，更适用于大功率、宽输入电压范围的应用场景.

关键词：Burst控制；输入电压前馈；输出负载前馈

中图分类号：TM46

文献标志码： A

文章编号：2096-398X（2023）04-0136-07

Abstract：Battery energy storage is the core equipment of new energy power generation and microgrid.High dynamics and high precision are always the key indicators of bidirectional DC/DC energy storage converters.In the scene of large signal change such as impact load，the battery will discharge at a high rate，and the internal resistance factor causes its terminal voltage to drop sharply，which limits the fast output capability of the downstream DC/DC converter.In order to improve the responsiveness of DC/DC converters in wide input range scenarios，based on the traditional voltage-current double closed loop，a composite control strategy of Burst mode and input voltage and output load feedforward is proposed.By establishing the disturbance function of the input voltage vg and the load current iload on the output voltage vo，the action mechanism and influencing factors of the disturbance channel are analyzed，the steady-state operating point of the converter is quickly estimated，the load disturbance component is extracted，and fed into the duty cycle d to adjust to improve system response speed.The output voltage vo hysteresis is further designed，and the converter enters the Burst mode through hysteresis adjustment to limit the overshoot and oscillation of the voltage vo in the scenario of large signal change.Finally，an experimental prototype with a power of 48 kW is built.The experimental results show that the Burst and double feedforward composite control strategy proposed in this paper can effectively improve the response speed of the DC/DC converter under large signal interference，and is more suitable for high power，wide Application scenarios for the input voltage range.

Key words：Burst control；input voltage feedforward control；output load feedforward

0 引言

國家“双碳”目标的达成需要新能源发电技术的强力支撑，源-网-荷-储一体化势在必行，集中式、分布式光伏与储能有机结合，并组建微电网优先为本地负荷供电是可预见的未来趋势［1-3］.蓄电池储能技术是新能源发电和微电网的核心装备，主要用于波动功率的平抑与消纳，并可在并网条件下通过峰谷电价调节实现经济运行.双向Buck/Boost变换器是蓄电池管理的重要拓扑，仅通过两个开关器件控制实现功率的双向流动，适用中小功率的非隔离直流应用场景［4］.高动态与高精度始终是双向DC/DC储能变换器的关键指标［5，6］.在功率剧烈波动以及负载突变等场景下，蓄电池将高倍率放电，内阻因素导致蓄电池端电压瞬间大幅跌落.加载瞬间输入电压跌落限制了DC/DC变换器的快速响应能力，超出关键负载用电指标要求［7，8］.

针对上述问题，科研人员进行了大量研究工作，第一类方法是在传统闭环中加入前馈控制.文献［9］提出了V2C组合型三环控制方式，电流环采用峰值电流型，综合了V2控制方法和电流型控制方法的优点；文献［10］提出了输入电压前馈+比例积分（PI）调节的混合控制方式，通过状态平均法建立数学模型，应用稳定性边界轨迹法指导PI控制的设计以及前馈比例系数；文献［11］提出了在比例控制电压模式结构基础上将输入电压与电容电流采样之和的积分作为PWM环节的动态载波信号，输入电压前馈确保了比例控制下系统的稳态无差以及良好的抗输入扰动能力；文献［12］提出了带输入电压前馈的两模式平均电流控制策略，通过将具有电压电流双闭环结构的平均电流控制与单载波-双调制的调制方法相结合，来提高变换器的动态响应性能.上述方法主要是基于变换器的小信号模型进行前馈设计，提升变换器的抗干扰能力，但是对于输入电压大幅跌落的大信号场景，未能有效提升变换器的响应速度.

第二类方法是结合滞环控制即Burst控制模式提升变换器的性能.文献［13］提出了一种改进的数字电流滞环控制策略，在沿用已有的控制策略基础上增加了对负载突变过程的检测；文獻［14］提出一种基于微处理器的电流跟踪控制方法，将电感电流控制在输出电流的一个滞环宽度内；文献［15］提出了一种PWM滞环控制方法，将输入电压前馈信号通过添加两个电阻和一个RC积分比较器电路网络；文献［16，17］提出了一种具有输出电容电流补偿的新型滞环控制方法，通过在输出电压单环反馈中导入电容电流信息，将电容电流与输出电压相加作为反馈量，改善了电容充放电变化率，提高了负载突变时变换器的电压精度.上述方法在变换器的响应速度下取得了一定的改善，但其需要额外的信息采集通道，且参数设计较为复杂，对变换器模型精度要求较高.

本文针对宽输入范围Buck/Boost变换器的快速响应问题，提出一种Burst模式与输入电压和输出负载前馈的复合控制策略.通过分析输入电压Vin和负载电流iload对电感电流iL的扰动函数，快速估算变换器的稳态工作点，建立各扰动分量的前馈函数.进一步加入输出电压滞环，通过使变换器进入Burst模式，限制大信号变化场景下输出电压的超调和振荡.所提方法可有效提升宽输入范围场景下变换器动态响应速度，具有良好的鲁棒性和稳定性.

1 Buck/Boost变换器数学模型与传统闭环控制

1.1 Buck/Boost变换器小信号模型

Buck/Boost变换器拓扑结构如图1所示.其中，S1、S2分别为上、下桥臂开关管，Vin为直流输入电压，L为储能电感，C为输出电容，R为负载，S1与S2互补发波.

本文以小信号分析法建立模型［18-20］，电路在稳态工作时运行在CCM连续导通模式.假设变换器功率器件为理想器件，纯阻性负载，忽略开关频次以及倍频次谐波.当电路S1导通S2关断时，由变换器工作原理可得滤波电感电压为：

由式（7）～（11）得到电压反馈闭环系统控制框图如图3所示.其中，Gm（s）是PWM脉宽控制器，转化为相对应占空比的脉冲信号.

由图4和图5可以看出，幅频特性曲线全频段范围内均在0 dB线以下，闭环控制对输入电压和输出负载扰动均有较好的抑制作用，具有良好的抗干扰能力.

2 Buck/Boost变换器Burst与双前馈复合控制策略

2.1 Burst与双前馈复合控制整体框图

为了提升Buck/Boost变换器在输入电压跌落等大信号场景下的动态响应，本文提出一种Burst与双前馈复合控制策略，整体框图如图6所示.主要分为：稳态工作点跟踪、负载电流与输入电压前馈、Burst机制三个部分.

2.2 稳态工作点跟踪方法

在Buck/Boost变换器大功率加载时，蓄电池高倍率放电导致其端电压会大幅跌落，限制了变换器的输出能力.根据公式（4）可知，［Vin，Vo，IL，D］决定了Buck/Boost变换器的稳态工作点.传统控制器设计均基于变换器在该稳态工作点附近的工作特性，即小信号线性化模型.蓄电池端电压Vin大幅跌落时，电感电流iL和占空比d均将发生偏离，如果该系统特性是稳定的，经历一定的动态过程后，系统将到达另一个稳态工作点［Vinx，Vox，ILx，Dx］.

基于稳态工作点［Vin，Vo，IL，D］设计的控制器仅在该点附近有足够的稳定裕量和环路带宽.在Vin跳变的大信号过程中，原控制器并不能保证变换器具有良好的稳态与动态性能.为了提升变换器在大信号扰动下的动态性能，可通过快速追踪稳态工作点，提前计算并设定新状态下的额定占空比Dx，以减少控制器积分时间.

本文即采用Dx估算的方法进行稳态工作点跟踪.实时采集输入电压Vin，根据CCM模式下的输入与输出电压关系计算Dx值，计算公式为（13），其中Vref为目标输出值.

上述稳态工作点跟踪处于变换器闭环控制的前馈通道，Vin中除了稳态分量外，还包含小信号扰动分量，也将通过公式（13）前馈至系统调节，可能引入稳定性风险.另外，在公式（13）中，Vin处于分母位置，噪声引起的采样干扰可能导致占空比大幅调节，使系统鲁棒性下降.在实际应用中，需要对Vin进行低通滤波处理，滤波带宽可根据变换器动态响应需求和噪声频带分布进行折中设计.

2.4 Burst模式作用机制

在Buck/Boost变换器突减载场景下，蓄电池放电电流瞬间减小，其端电压Vin瞬间抬升，使得变换器输出电压Vo超调严重.即使加入了稳态工作点跟踪算法，由于电感和电容储能释放缓慢，电压超调依然严重.

为了限制输出电压超调，本文设计了输出电压滞环，通过使变换器进入Burst控制模式实现电压超调限制，进入Burst控制模式后具体工作原理如图6和图9所示.在图9中，VH和VL分别为滞环上下阈值，S为Burst模式控制函数.

开关函数S如式（22），当时输出电压vo高出上限阈值VH，如图9中［t2-t3］区间，此时S=0，意味着图6中占空比设定为0，Buck/Boost变换器开关管S1封波，但是下管S2依然按環路计算占空比进行调节；等待输出电压下降至阈值区间内，此时S保持为零如区间［t3-t4］；电压进一步下降至滞环下限VL，此时S=1，恢复S1占空比调节.

需要重点说明的是，本文Burst模式的开关函数S仅用于Buck/Boost变换器开关管S1封波控制.其主要作用是在输出电压超调后，断开蓄电池通过Buck模式向负载的供电通路；下管S2依然根据闭环控制进行调节，使电感和电容的储能可通过Boost模式将能量快速回馈至蓄电池，减少超调.

3 实验验证

3.1 样机搭建

本文搭建了一台功率为48 kW的Buck/Boost变换器实验平台，采用14错相Buck/Boost变换器实现，实验平台参数如表1所示.

具体实验装置如图10所示，主要包括功率电路、驱动电路、控制电路、辅源电路等部分.控制器采用TMS320F28335，开关管为IXYS的XFN17065X2，驱动芯片选用MIC4451.

3.2 负载投切实验

图11是采用传统PI控制器但未加入前馈控制的实验波形图，在轻载时加入Burst控制策略.其中，Vgs为驱动信号，Vin为输入电压，Vo为输出电压，iload为负载电流.可以看出空载输出电压为200 V，加载瞬间跌落了11 V，经过约24 ms后，Vo恢复至200 V.

加入稳态工作点跟踪及前馈控制后，在突加负载场景下，变换器的输出波形如图12（a）所示，图12（b）为暂态过程的局部放大图.可以看出，在空载状态下，变换器工作在Burst模式，此时是由于变换器14错相输出能力强，数个发波周期即可使得输出电压Vo超出环宽上限阈值VH.由图12（b）看出加载瞬间可以看出电压仅跌落6 V，响应时间仅为2 ms，在此期间输出电压略微上升，是因为电压跌落瞬间控制器加入前馈控制算法响应速度很快，有一定超调现象.本文所提方法有效提升了变换器在大信号干扰下的响应速度.

图13（a）为Burst与双前馈控制策略突减负载实验波形图，图13（b）为暂态过程的局部放大图.可以看出，变换器减载后电压超调几乎为0 V，且空载后变换器进入Burst控制模式.上述测试结果说明，本文所提出的Burst与双前馈控制策略可以在大信号干扰下有效提升变换器的动态响应能力，抑制电压超调.

4 结论

本文针对提高直流储能Buck/Boost变换器宽输入范围场景下的响应能力，在传统电压闭环基础上，提出了一种Burst模式与输入电压和输出负载前馈的复合控制策略，通过稳态工作点快速追踪、输入电压与负载电流前馈、Burst模式限制等手段，有效提升了Buck/Boost变换器在突加负载和突减负载等大信号场景下的动态响应能力.最后，搭建实验平台进行验证，所得结果验证了所提方法的有效性.

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【责任编辑：蒋亚儒】

基金项目：陕西省科技厅重点研发计划项目（2020GY-042）

作者简介：刘 艺（1999—），女，陕西咸阳人，在读硕士研究生，研究方向：电源供电技术与微电网的智能控制技术

通讯作者：刘宝泉（1987—），男，河北保定人，副教授，博士，研究方向：微电网自稳与致稳能力提升、多轴运动控制技术，liubq@sust.edu.cn