適用于超級電容的雙向變換器模糊PI控制策略

高曉芝 姜楓 高帆

摘 要：針對直流微網中超級電容儲能系統，提出了一種基于模糊PI控制的雙向DC/DC變換器的雙閉環控制方法。首先分析了雙向變換器的拓撲結構，開關管使用移相控制，利用模糊PI控制環節，降低超級電容端電壓波動，提高了超級電容充放電的效率，使整個系統更加穩定。運用matlab/Simulink搭建仿真模型，與其他控制方法進行了比較，驗證了該方法的可行性和有效性。

關鍵詞：隔離型變換器；超級電容；雙閉環控制；模糊PI控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.126

0 引言

超級電容作為一種新型儲能元件，它的功率密度高，儲能速度快，儲能過程可逆，超級電容儲能能夠穩定微網中負載功率的高頻分量[1，2]。而雙向DC/DC變換器是電力電子能量轉換的重要器件，可以實現不同電壓等級的不同供電系統之間的能量轉換，也是實現儲能系統與光伏系統之間的能量轉換的重要器件。由于隔離型雙向DC/DC變換器各器件電流、電壓應力小，能量傳遞效率高，適用于中高功率的場合[3]。因此本文采用隔離型雙向DC/DC變換器進行超級電容儲能的研究。

文獻[4]通過互補PWM控制技術控制雙向變換器，應用功率前饋與雙閉環相結合的方法來解決直流母線電壓波動的問題。文獻[5-6]基于直接功率控制方法，提出一種負載電流前饋控制方法，驗證了負載突變對變換器動態響應的影響。文獻[7-8]對多端口電源系統中雙向變換器，采用分段PI調節和滑膜控制結合的雙閉環控制，通過實驗驗證了控制策略的可行性。

結合上述研究，本文提出了一種適用于超級電容儲能，使用隔離型雙向DC/DC變換器應用模糊PI控制的電壓、電流雙閉環控制策略，首先分析了隔離型雙向變換器拓撲結構，對于雙向轉換器這種非線性時變系統，需要模糊PI對系統進行實時控制，同時采用電壓、電流雙閉環控制，提高系統穩定性，減小超級電容端電壓在穩態狀態下的電壓波動，實現超級電容快速充放電控制。

1 適用于超級電容的隔離型雙向DC/DC變換器模糊PI控制策略

1.1 雙向DC/DC變換器拓撲結構

本研究采用隔離型雙向DC/DC變換器的電路結構作為超級電容器的充放電電路，其拓撲結構如圖1所示。

變換器是通過移相控制Q1～Q8這8個IGBT的開通與關斷來實現能量的雙向流動。為了便于分析，我們將超級電容簡化為R-C串聯的簡單模型。

在buck模式下，通過控制Q1～Q4的導通，使每個橋臂的兩個功率管成180°互補導通，Q1和Q3超前Q2和Q4一個相位，將能量儲存在儲能電感Lr中，通過變壓器將能量傳到低壓側，從而給超級電容端Vs充電。

在boost模式下，通過控制的導通，使同一橋臂上兩功率管導通時間交錯180°，即對角的兩個功率管同時導通。當四個管同時導通時，超級電容給儲能電感Lf充電，兩對晶閘管的交錯導通將能量通過變壓器傳遞到高壓側Vb，從而完成超級電容的放電。

1.2 基于雙閉環的模糊PI控制分析

在雙向DC/DC變換器的移相控制基礎上，采集變換器的輸出電壓Vs與電感電流I*，將輸出電壓Vs與參考值比較得到偏差值e與偏差變化率ec，經過模糊控制器得到PI控制器Kp和Ki修正值，通過電壓PI控制器得到電感電流參考值Iref，與變換器實際電感電流I* 比較得到差值通過PI電流控制器，從而控制PWM移相時間，以實現對雙向變換器的控制。控制框圖如圖2所示。

設定模糊PI輸入輸出的基本論域為[-6，6]，變量的語言取值為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別代表著正大、正中、正小、零、負小、負中、負大。

對于模糊控制的隸屬度函數，采用計算相對簡單的三角函數，得到了輸出變量的模糊控制規則，如表1：

電壓環模糊PI控制和電流環PI控制結合的控制策略，能夠根據實際情況實時改變系統參數，增強系統的穩定性，有效提高電壓到達穩態的效率，控制電流大小，從而有效保護電路器件。

2 仿真驗證

隔離型雙向DC/DC變換器有兩種工作狀態，buck模式下由直流母線對超級電容進行充電，能量由高壓側向低壓側流動，boost模式下由超級電容進行放電，能量由低壓側向高壓側流動，此處我們采用matlab/simulink進行兩種模式仿真驗證，系統參數如下：DC=350V，Lr=420μH，Lf=200μH，Cs=420μF。模糊PI控制仿真圖如圖3。

圖4、圖6為傳統PI控制器控制雙向DC/DC變換器充放電圖，可以看出升壓過程中電壓有較大的峰值波動，動態響應較慢，當電壓趨于穩定后還是有穩態波動，紋波較多。

圖5、圖7為模糊PI控制器下，雙向DC/DC充放電圖，相比于傳統PI控制器的控制結果，可以看出模糊PI控制器能更好解決系統非線性穩定性問題，在電壓上升過程中，具有很好的動態穩定性，沒有明顯的震蕩情況，能夠更快達到穩定狀態，穩態誤差也相對于傳統PI有了明顯的改善。

3 結論

本文針對超級電容儲能運用了一種隔離型雙向DC/DC變換器結構，設計了模糊PI電壓環和PI電流環雙閉環控制策略，仿真分析了雙向DC/DC變換器在buck、boost模式下的工作狀況，以及雙閉環控制下超級電容充放電狀態。通過仿真結果，可以看出雙向DC/DC變換器可以實現能量的雙向流動，模糊PI控制有效提高了超級電容的充放電穩定性，使其具有較短的響應時間，超級電容可以很好的作為儲能裝置。

參考文獻：

[1]謝本建，徐平，許錦蘭等.直流供電系統中超級電容應用研究[J].電氣技術，2017（12）：122-125.

[2]張純江，董杰等.蓄電池與超級電容混合儲能系統的控制策略[J].電工技術學報，2014，29（04），334-340.

[3]黃杰，于慶廣.基于能源路由器的隔離雙向DC-DC變換器研究[J].電源技術，2017，41（02）：301-304.

[4]張國駒，唐西勝，周龍等.基于互補PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級電容器儲能中的應用[J].中國電機工程學報，2011，31

（06）：15-21.

[5]侯聶，宋文勝，武明義.雙向全橋DC-DC變換器的負載電流前饋控制方法[J].中國電機工程學報，2016，36（09）：2478-2485.

[6]Ohnishi T. Three phase PWM converter/inverter by means of

instantaneous active and reactive power control[C]. Proceedings IEEE Industrial Electronics，Control and Instrumentation Conference.Kobe，Japan：IEEE，1991：819-824.

[7]馮興田，萬滿滿等.基于儲能的雙向DC/DC變換器電源系統控制策略[J].電力電子技術，2017，51（07）：8-10.

[8] Kristof Engelen，Sven De Breucker，Peter Tant，et al. Gain Scheduling Control of a Bidirectional DC/DC Converter With Large Dead-time[J].Power Electronics，2014，7（03）：480-488.

基金項目：河北省高等學校科學技術研究項目（QN2015089）

作者簡介：高曉芝（1981-），女，河北曲陽人，博士，講師，研究方向：直流微網控制及電能質量改善。