蓄電池—超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制策略研究

【摘? 要】本文通過(guò)理論分析，提出一種新型DC-DC變換電路，并探究其控制策略，理論計(jì)算和相關(guān)理論分析表明該DC-DC變換電路適用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)。Matlab/Simulink的仿真得到了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于不同模式下時(shí)超級(jí)電容及電路其他部分的輸出波形，表明該變換器在應(yīng)用于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)具有電流不間斷、開(kāi)關(guān)損耗較小及整合度高的優(yōu)點(diǎn)，提高了蓄電池使用壽命及混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作效率。

【關(guān)鍵詞】控制策略研究;拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);Buck/Boost;功率密度

引言

DC-DC變換器可以充分結(jié)合并發(fā)揮蓄電池和超級(jí)電容各自的優(yōu)點(diǎn)，組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)以有效改善蓄電池的壽命，提高系統(tǒng)效率。針對(duì)蓄電池和超級(jí)電容器在上述問(wèn)題中存在的不足，作者在此提出了一種適用于蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC-DC變換器，其可以使蓄電池和超級(jí)電容器有效互補(bǔ)結(jié)合，充分發(fā)揮各自長(zhǎng)處。由該雙向DC-DC變換器組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以減少開(kāi)關(guān)器件的有功損耗，及時(shí)應(yīng)對(duì)負(fù)載側(cè)大功率波動(dòng)，延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。除此以外，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠，有較高的整合度和經(jīng)濟(jì)性及實(shí)用性。

1.混合儲(chǔ)能系統(tǒng)及其直流變換電路

上文所提及，適用于蓄電池-超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的新型雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖1所示，其本質(zhì)是蓄電池和超級(jí)電容器共用同一套DC/DC變換器，其中DC/DC變換電路部分由升降壓典型斬波電路組合而成，經(jīng)由此途徑實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)。

1.1負(fù)載電壓平均值及電壓增益：

Buck模式下，電路及其器件滿足如下方程約束：

其中設(shè)d2為全控器件S1占空比，則由上述公式可推導(dǎo)出電壓增益G及負(fù)載電壓平均值為：

同理在Boost模式下，電路仍受（1）部分公式及伏秒平衡的約束，則：

2.控制策略研究及仿真論證（Matlab/Simulink）

2.1控制策略研究

系統(tǒng)采用獨(dú)立 PWM 控制，其控制信號(hào)發(fā)生圖如圖 2所示。將電感電流作為控制信號(hào)，利用理想電感電流值和實(shí)際測(cè)量電感電流值產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差，通過(guò) PI控制器和輸出限幅環(huán)節(jié)產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，將該調(diào)制信號(hào)作為PWM發(fā)生器的輸入信號(hào)，然后PWM信號(hào)與給定的三角載波信號(hào)進(jìn)行比較即可得到全控器件 S1 或者 S2 的控制信號(hào)輸出。

2.2 Matlab/Simulink仿真

采用Matlab/Simulink搭建理論模型對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行仿真，論證該混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可行性及其充放電特性。仿真電路圖如下圖3所示。

在Buck工作模式下，全控器件的一個(gè)周期Ts內(nèi)電感電流的波形始終處于周期振蕩狀態(tài)，且在全控器件導(dǎo)通前期存在較大的超調(diào)現(xiàn)象，在經(jīng)過(guò)過(guò)渡期后會(huì)迅速趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定值于X軸下方保持連續(xù)，方向與前一狀態(tài)相反;而全控器件S1在諸多周期內(nèi)反復(fù)動(dòng)作時(shí)，電感電流的值在多個(gè)周期內(nèi)也在不停反復(fù)變化，由此可知電感的儲(chǔ)能情況是在跟隨全控器件S1的動(dòng)作而變化的。

預(yù)充電回路監(jiān)視并保護(hù)超級(jí)電容荷電狀態(tài)長(zhǎng)期維持在一個(gè)較高的水平，由下圖4可知，當(dāng)超級(jí)電容的放電深度在20%時(shí)，預(yù)充電回路可迅速拉升其電壓至100V并穩(wěn)定，由此最大限度保護(hù)了超級(jí)電容的工作狀態(tài)，從時(shí)間軸上可以看見(jiàn)電路暫態(tài)時(shí)間極短，在0.05S內(nèi)完成充電動(dòng)作并維持其電壓不變;系統(tǒng)工作于Boost模式下時(shí)，直流母線側(cè)負(fù)載突然增大，其電壓波動(dòng)情況如下右圖4所示。由波形可知，在負(fù)載電壓平滑上升趨于穩(wěn)定后其中間經(jīng)歷了一個(gè)電壓驟降的暫態(tài)過(guò)程，該過(guò)程有效模擬了城市軌道列車啟動(dòng)和電車起步時(shí)直流母線側(cè)狀態(tài)，但由于Boost電路的作用，暫態(tài)過(guò)程極短的渡過(guò)，隨后負(fù)載電壓再次趨于穩(wěn)定，Boost模式及預(yù)充電回路的有效性得以驗(yàn)證。

3.結(jié)語(yǔ)

該雙向DC-DC變換電路在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)中有較大的可行性，通過(guò)公式計(jì)算及Simulink仿真基本驗(yàn)證了該電路在理論上的有效性;其本質(zhì)是Buck/Boost電路在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的重組，既沒(méi)有改變電壓增益G也沒(méi)有改變負(fù)載平均電壓Uo輸出，但實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)應(yīng)力的有效降低及直流變換電路的高度整合，降低了經(jīng)濟(jì)成本，縮小了系統(tǒng)體積，有效發(fā)揮了蓄電池及超級(jí)電容的優(yōu)點(diǎn)，盡可能保證了蓄電池的使用壽命;立項(xiàng)課題所研究的獨(dú)立PWM控制策略可靠性高，獨(dú)立性強(qiáng)。

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作者簡(jiǎn)介：李思淋，男，漢族，重慶九龍坡人，本科。