直流微電網儲能系統雙向DC-DC變換器相位控制策略研究

耿運濤，劉燕凌，高士然

直流微電網儲能系統雙向DC-DC變換器相位控制策略研究

耿運濤1，劉燕凌1，高士然2

（1.邵陽職業技術學院，湖南邵陽 422000； 2.邵陽學院，湖南邵陽 422000）

針對直流微電網儲能系統在充放電模式切換時出現的能量回流現象，設計了一個雙全橋式雙向DC/DC變換器，采用非線性PI控制技術與內外移相角聯合控制相結合的控制方式，解決能量回流問題。建立仿真模型，并在采用傳統PI移相控制器和非線性PI移相控制器下進行高電壓側輸出的啟動響應曲線對比分析，最終得出雙全橋式雙向DC/DC變換器的能量由高電壓側向低電壓側的能量回流狀況，仿真結果驗證了所采用控制策略的有效性。

直流微電網 DC-DC變換器 能量回流 移相控制

0 引言

隨著大量間歇性分布式電源的普及與應用，使得不存在無功功率分量以及諧波、頻率問題的直流微電網系統進入到人們的視線當中[1,2]。由于分布式電源輸出能量的特殊性，在直流微電網系統中如果不能有效平衡系統中的能量，會給直流微電網系統的穩定性帶來巨大的危害，使得直流電網系統中的能量平衡成為維持系統穩定最為重要的因素[3]。作為直流微電網系統組成部分之一的儲能單元成為穩定系統能量的關鍵，而作為直流母線與儲能單元之間紐帶的雙向DC/DC變換器又是控制儲能單元維持直流微電網系統穩定的關鍵[4]。

本文對儲能系統端雙向DC/DC變換器進行了設計，針對直流微電網儲能系統在充放電模式切換時出現的能量回流現象，提出了一種調整后的移相控制策略來抑制能量回流，并對變換器啟動時所帶來的沖擊問題進行了研究，在采用傳統PI移相控制器和非線性PI移相控制器下進行高電壓側輸出的啟動響應曲線對比分析，仿真結果驗證了所采用控制策略的的有效性、可行性。

1 雙全橋式雙向DC-DC變換器拓撲結構

雙向直流變流器可視為兩個單向DC/DC變換器相互反向并聯，其主要特點在于能量可在同一電路中實現高壓端與低壓端之間雙向流動，其結構原理如圖1所示。

圖1 單向與雙向直流變流器結構圖

根據高低壓之間是否存在隔離，可將其分為隔離型與非隔離型兩大類[5]。

非隔離型變換器是根據能量可逆的基本原理，將單向DC/DC變換器中的功率MOS場效應晶體管與功率二極管處分別并聯功率二極管與功率MOS場效應晶體管。非隔離型雙向直流變流器優點在于較少的器件，使得整體電路的結構簡單、效率較高以及可靠性較高，但在大功率應用下，流經無源器件電感與電容的電流過大，致使電感與電容的體積過大，安全性降低，并且在高低壓壓差要求很大的情況下，會暴露出改變電壓壓差的能力很弱的缺陷[6]。為解決非隔離型雙向直流變流器壓差較低、電感體積大的問題，在變換器中引入高頻變壓器，采用如圖2所示的雙全橋式雙向直流變流器。

圖2 雙全橋式雙向直流變流器

圖2中電壓UU分別為高壓側和低壓側電壓；H與L分別為高電壓側與低電壓側的濾波電容；高電壓側兩個橋臂由功率MOS場效應晶體管S1、S2與S3、S4分別組成；低電壓側兩個橋臂由功率MOS場效應晶體管S5、S6與S7、S8分別組成；所有功率MOS場效應晶體管上，分別并聯功率二極管，為電流提供續流路徑；電感為高頻變壓器高電壓側的漏感；采用變比為N：1（N>1）的高頻變壓器來增大高低電壓側壓差，同時隔離高低電壓側回路。

2 雙全橋式雙向DC/DC變換器相位控制策略

2.1 雙全橋式雙向DC/DC變換器閉環控制系統

移相控制策略（PSM）是指將每一個橋臂作為一個獨立的控制單元，通過改變每個單元之間的相位關系來實現不同的能量流動方式，也是實現軟開關的重要途徑之一[7]。

本雙全橋式雙向直流變流器采用輸出功率閉環控制與外移相角控制內移相角的聯合方式。以輸出功率作為反饋值用來調整外移相角，用調整后的外移相角作為內移相角的調整信號，用來改變內移相角，最后將調整后的外移相角與內移相角信號傳遞給驅動。其控制系統結構圖如圖3所示。

圖3 控制系統結構圖

功率閉環控制系統的優點在于，當系統的輸出端的負載發生變化時，功率閉環保證輸出端功率的穩定，與此同時，內移相角的自適應調節可以根據輸出端的能量變化調整內移相角，來限制能量回流。

2.2 內外移相角聯合控制

為了提高功率環控制器的自適應性以及快速響應能力，將非線性PI控制技術應用到PSM控制技術中，控制結構圖如圖4所示。

圖4 控制結構圖

3 仿真結果分析

為了驗證內外移相角聯合技術對能量回流現象的效抑制效果，采用Matlab的Simulink搭建雙全橋式雙向直流變流器仿真模型，進行仿真分析。同時，針對高電壓側輸出的啟動響應曲線，分別采用傳統PI移相控制器和非線性PI移相控制器來對比分析。

圖5為輸出功率為400 W時的內外移相角以及其對應的能量交換電感上的電流波形。波形圖從上向下為：MOS管S1，S3，S2，S4，S5，S6，S7，S8的驅動信號G1，G2，G3，G4，G5、8，G6、7，高頻變壓器高電壓側電壓，高電壓側輸電流0，高電壓側能量交換電感L的電流L。

圖5 雙重移相控制策略驅動與能量流動波形

從圖5中可以看出雙重移相控制策略在加入內移相角后，能量的回流現象得到了明顯的抑制，穩定輸入電流，這直接保護了輸入端，尤其是在輸入端為蓄電池時，避免了因為能量回流而導致的電池使用壽命縮減。

設置傳統PI控制器初始參數：K=3、K=1.5，其啟動波形如圖6所示；設置非線性PI控制器初始參數：K1=2、K2=20、K3=2、K1=2、K2=2、=50、=0.01，其啟動波形如圖7所示。

由圖5和圖6仿真波形可以看出，經采用非線性PI控制器與傳統PI控制器相比，非線性PI控制器在超調量以及靜態誤差上有明顯改善，在實際應用中可以有效的降低變換器啟動時所帶來的沖擊。

圖6 傳統PI控制下的啟動波形

圖7 非線性PI控制下的啟動波形

4 結論

論文提出了一種應用于直流微電網儲能系統雙向DC-DC變換器中抑制能量回流的控制策略，選取雙全橋式作為雙向DC/DC變換器的主拓撲結構，采用非線性PI控制技術與內外移相角聯合控制相結合的控制方式進行閉環控制，確保直流母線端的功率穩定，有效抑制能量回流現象。同時，對比分析非線性PI控制器與傳統PI控制器，得出非線性PI控制器在超調量以及靜態誤差上有明顯改善，在實際應用中可以有效地降低變換器啟動時所帶來的沖擊。

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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

A

1003-4862（2019）02-023-04

2018-09-03

湖南省2017年省教育廳科學研究項目《直流微電網儲能系統雙向DC-DC控制技術研究》（17C1468）項目主持人：耿運濤。

耿運濤（1989-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子變換與控制技術。E-mail: 718291713@qq.com