储能双向DC_DC变换器自适应充放电无缝切换策略_张勤进.pdf

储能双向 变换器自适应充放电无缝切换策略张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙（大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连）摘要：为提高直流微电网内储能单元的动态性能与抗干扰能力，文中提出了一种针对储能双向 变换器的充放电无缝切换控制策略。该策略根据母线电压高低进行储能单元自适应充放电切换，进而保持母线电压稳定。在此基础上，考虑到双向 变换器的非线性特征，引入了可通过 函数在线调节误差反馈系数的非线性无缝电流环，实现了储能双向 变换器的充放电无缝切换，提高了控制策略的动态性能与鲁棒性。通过仿真和实验验证了该策略的可行性与有效性，在母线电压跌落、陡升与系统参数变化等工况下，均可实现储能单元的充放电无缝切换。关键词：母线电压稳定性；双向 变换器；自适应充放电；非线性 函数；充放电无缝切换：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），o，o（gg g，g，）：o o o o o o，oo o o o o o o o o，o o o o ，o o o o o o，o oo o o oo o o o o o o，o o o o oo ，o o o o o oo o o o o o o，oo：o，o o，o o，o 基金项目：国家自然科学基金资助项目（，）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（）引 言母线电压稳定是直流微电网安全运行的前提。在直流微电网中，分布式电源的输出功率不稳定、负载投切与微源间能量交换等现象均会导致母线电压波动，严重时威胁系统的安全。因此需要引入储能单元作为能量缓冲装置来维持母线电压的稳定。而储能模块需要通过双向 变换器与直流母线相连，故双向 变换器的性能对直流微电网的稳定起着至关重要的作用。储能单元首要任务是通过充放电切换进行“削峰填谷”以实现微电网功率平衡，保证系统安全稳定运行。文献以风光储直流微电网为背景，利用储能双向 变换器进行自适应充放电切换维持母第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，线电压稳定。文献将双向 变换器分为充电、放电与空闲等 种工作模式，减小了非必要充放电切换产生的谐波干扰。文献提出了一种针对双向 变换器的分布式控制策略，其可根据本地母线电压高低进行自适应充放电切换，但未考虑蓄电池过充过放的情况。文献引入了模糊控制避免了蓄电池的过充放，延长了使用寿命。上述文献在系统层面研究了储能单元的充放电运行模式，而未涉及储能单元双向 变换器的充放电切换动态性能研究。在充放电切换过程中，双向 变换器应保证较短的切换时间与较小的冲击电流，即平滑过渡无冲击的无缝切换，进而维持母线电压稳定。文献提出了一种基于模型预测的控制策略，降低了控制计算量，改善了双向 变换器的动态性能，但输出电流纹波较大。文献 探究了死区时间对双向 变换器的影响，改造了 控制器，进而解决了电流纹波问题，但未考虑变换器的非线性特征。双向 变换器具有非线性特征，传统的线性误差反馈控制器较难取得理想的控制效果，其动态反应速度较慢，甚至当电路参数变化时会出现混沌或分岔等非线性现象。此外，直流微电网存在电压变化范围大与负载非线性等特征，故应对双向 变换器使用非线性控制策略，提高其动态性能。目前，已有众多学者基于非线性理论针对 变换器进行非线性修正。文献以单向 电路或 oo 电路为研究对象，基于反馈线性化方法提高了 变换器的响应速度，但未涉及储能单元所用的双向 变换器。文献通过反馈线性化实现了双向 变换器的快速无超调充放电切换，且在母线电压波动、负载突变等工况具有一定抗扰动能力。文献通过非线性扰动观测器提取电流扰动信号提高了双向 变换器的动态性能。文献借助适用于非线性对象的自抗扰控制使得双向 变换器可进行快速、准确、无超调地充放电切换，对直流母线侧扰动、负载突变等工况具有较强的抗干扰能力。上述非线性策略均取得了良好的控制效果，其核心思想是通过微分几何原理与代数变换将非线性对象转化为线性对象，但控制对象需满足能控性要求与对合条件，当对象较为复杂时，以上条件难以满足，且设计过程较为繁琐。文献直接使用非线性函数修正 控制器，原理简单实现便捷，最终改善了oo 型单向 变换器的动态性能，取得了良好的控制效果，但未涉及双向 变换器。文章以工程应用为出发点、直流微电网为背景、双向 变换器为研究对像，提出一种充放电无缝切换控制策略。该策略可根据母线电压大小进行自适应充放电切换，进而维持母线电压稳定。引入了非线性无缝电流内环，通过非线性 函数改造 控制器，改善了双向 变换器动态性能，实现平滑无冲击的充放电无缝切换，且算法简易便于推广。最后通过仿真与实验：验证了所提控制策略的有效性与优越性。微电网组成与储能单元作用直流微电网由直流母线、储能单元、分布式电源、负载单元以及公共连接点等组成，如图 所示，箭头为能量流动方向，直流母线是微电网系统中各个部分之间交流的桥梁，其稳定性是微电网稳定运行的前提。针对微电网内因功率变化引起母线电压波动问题，储能单元通过充放电保持功率平衡，将母线电压维持在稳定范围内。负载单元蓄电池分布式电源DCDCDCDCDCDC直流微电网PCC外部电网直流母线DCDC超级电容储能单元DCDC光伏风电图 直流微电网结构图 o o图 为储能单元结构图，为直流母线侧电压；为蓄电池电压；为直流母线侧电容；为储能蓄电池侧电容；为电感值和 为电感电流值；与为 开关器件。储能单元由储能介质（蓄电池）与双向 变换器组成，其充放电状态由双向 变换器控制。当 导通，而 关闭时变换器处于 模式，储能单元为充电；当 导通而 关闭时变换器处于 oo 模式，储能单元为放电；而 与 都关闭时，储能单元处于空闲状态，既不放电也不充电。第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，双向DC/DC变换器+-LLIbUdcCdcUbC+-1S2SPCC负载单元分布式电源蓄电池储能单元直流母线侧储能介质图 储能单元结构图 o o 充放电切换控制策略如图 所示，所提双向 变换器的充放电控制策略由自适应电压外环和非线性无缝电流内环构成。*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coUTD*ccI*cutI+-+-+-双向DC/DC变换器LLIbUdcCdcU信号采集LIdcU+-非线性无缝电流内环自适应电压外环bC1S2S-11外部电网PCC电网负载分布式电源fal-PIPWMbU*LI*dc_HU*dc_LU1y2y3y1K3K2K图 控制策略结构图 o oo 图 中，为母线电压采样值；为额定母线电压；与 分别为充电临界值与放电临界值，两者之间为母线电压稳定范围；、分别为电压外环控制器、蓄电池防过充与蓄电池防过放控制器；为蓄电池电压；为最大放电电流；o为放电截止电压；为恒压充电电压值；为恒流充电电流值；为电感电流值即蓄电池充放电电流。为电感电流设定值，为放电，为充电；为可变限幅器；是上限值为 的正值限幅器；是下限值为的负值限幅器。根据母线电压 大小分为空闲、放电与充电等 种工作模式，自适应电压外环通过判断电压大小进行自适应模式切换，进而调节电流设定值，且可通过判断蓄电池电压 防止过充过放。基于非线性 函数的非线性无缝电流内环则通过判断误差反馈大小自适应地修改 参数，使系统快速达到稳定状态，缓解了传统 控制器在快速性与超调之间的矛盾，实现充放电无缝切换。自适应电压外环电压外环的首要任务是根据母线电压大小控制储能单元进行充放电切换。在实际微电网运行中，母线电压会在一定范围内波动，而非严格维持在额定值。传统的储能单元控制策略通过比较母线电压与额定值的高低关系进行充放电切换，然而，母线电压的小范围波动可能会导致储能单元频繁充放电切换，降低其使用寿命。为防止双向 变换器的充放电频繁切换，基于 个临界值 与 将双向 变换器分为充电、放电与空闲 种工作模式，如图 所示。放电充电dcU空闲电压稳定范围0*dc_HU*dc_LUdcU*dc_HU*dc_LU图 工作模式选择原理图 o o o o当母线电压处于稳定范围内，储能单元处于空闲模式，既不充电也不放电；若低于下限值，则储能放电，防止母线电压跌落；若高于，则储能充电，防止母线电压高于充电临界值。通过改变可变限幅器幅值，可防止蓄电池过充过放。如表 所示为工作模式与母线电压关系。表 工作模式与母线电压关系 o o o o工作模式母线电压 电感电流 充电 空闲 放电 电压外环工作模式图 为 电压外环在空闲模式下的控制框图，粗线为控制信号传递方向。当 ，即母线电压处于稳定范围内时，电感电流设定值 ，双向 变换器处于空闲模式，既不充电也不放电。图 为电压外环的充电控制框图，粗线为控制信号。图（）为正常充电模式，若直流母线电压 高于充电临界值，且蓄电池电压小于恒压充电值，则 的输出值 ，故电感电流设定值 第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，蓄电池充电。加入了恒流充电电流值 作为电流限制，且实现了恒流充电与恒压充电的自适应切换。*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coU*ccI*cutI+-+-+-bU*dc_HU*dc_LU*dc_Hdcdc_LUUU*=0I2K1K3K1y2y3y图 空闲模式控制框图 o oo o 图（）为防过充电模式，若蓄电池电压 高于恒压充电值，则控制器输出 ，使得限幅器上限值变为，即电感电流设定值 ，禁止充电。(a)正常充电模式*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coU*ccI*cutI+-+-+-bU*dc_HU*dc_LU*dcdc_HUU2K1K3K1y2y3y*0LI=(b)防过充电模式*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coU*ccI*cutI+-+-+-bU*dc_HU*dc_LU*dcdc_HUU2K1K3K1y2y3y*cc1=LIIy图 充电模式控制框图 o oo o 图 为电压外环的放电控制框图。图（）为正常放电模式，若直流母线电压 低于充电临界值，且蓄电池电压小于恒压充电值，则 的输出值 ，故电感电流设定值 使得蓄电池放电。同时加入了最大放电电流 作为电流限制，防止了蓄电池过电流放电。图（）为防过放电模式，若蓄电池电压 低于恒压充电值，则控制器输出 ，使得限幅器下限值变为，即电感电流设定值 禁止放电。电压外环自适应切换原理如图 所示，在 时刻前双向 变换器放电，并维持母线电压为放电临界值，其电感电流设定值为 ；在 时刻，母线电压 进入稳定范围，电感电流设定值经选择开关变为 ；在 时刻，母线电压 大于充电临界值，双向 变换器变为充电模式，其电感电流设定值为 。*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coU*ccI*cutI+-+-+-bU*dc_HU*dc_LU*dc_LdcUU2K1K3K1y2y3y*cut 1=LIIy(a)正常放电模式*cvU0PI1PI3PI2*dc_LU*coU*ccI*cutI+-+-+-bU*dc_HU*dc_LU*dc_LdcUU2K1K3K1y2y3y*0LI=(b)防过放电模式图 放电模式控制框图 o oo o*LI0*ccI*cutI1y0*ccI*cutI*dc_HU*dc_LUdcU1t2t母线电压控制量电感电流设定值电压稳定范围图 自适应模式切换示意图 o o 非线性无缝电流内环 非线性 控制器为缓解传统 控制器的快速性与稳定性固有矛盾，实现可借鉴“大误差，小增益；小误差，大增益”的非线性思想。利用 函数构造非线性 电流控制器，其比例、积分反馈系数随着误差大小而动态调节，进而较好地满足了快速性与稳定性的平衡需求，提高充放电切换的动态性能。在此基础上，通过引入微分跟踪器（o，）平滑过渡电流给定值，防止系统控制效果超调。最终，在相同比例积分控制参数下，缩短切换时间与减小母线电压超调，即平滑过第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，渡无冲击的无缝切换。如图 所示，将电感电流设定值 转化为电流跟踪量；采样值 与跟踪量 比较产生电流反馈误差，传递至 控制部分产生控制量输出；、分别为比例增益系数、积分增益系数；经过 环节的转为控制信号。falLI*LI+iKfal电感电流给定值电感电流采样值ePWMuTDpK非线性比例控制非线性积分控制+1x图 电流内环控制器结构图