蓄電池—超級電容混合儲能系統的充放電控制策略研究

【摘? 要】本文通過理論分析，提出一種新型DC-DC變換電路，并探究其控制策略，理論計算和相關理論分析表明該DC-DC變換電路適用于混合儲能系統。Matlab/Simulink的仿真得到了混合儲能系統工作于不同模式下時超級電容及電路其他部分的輸出波形，表明該變換器在應用于混合儲能系統時具有電流不間斷、開關損耗較小及整合度高的優點，提高了蓄電池使用壽命及混合儲能系統的工作效率。

【關鍵詞】控制策略研究;拓撲結構;Buck/Boost;功率密度

引言

DC-DC變換器可以充分結合并發揮蓄電池和超級電容各自的優點，組成混合儲能系統以有效改善蓄電池的壽命，提高系統效率。針對蓄電池和超級電容器在上述問題中存在的不足，作者在此提出了一種適用于蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統的雙向DC-DC變換器，其可以使蓄電池和超級電容器有效互補結合，充分發揮各自長處。由該雙向DC-DC變換器組成的混合儲能系統可以減少開關器件的有功損耗，及時應對負載側大功率波動，延長蓄電池的使用壽命。除此以外，該系統結構可靠，有較高的整合度和經濟性及實用性。

1.混合儲能系統及其直流變換電路

上文所提及，適用于蓄電池-超級電容混合儲能系統的新型雙向DC-DC變換器的拓撲結構如下圖1所示，其本質是蓄電池和超級電容器共用同一套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，經由此途徑實現功率的雙向流動。

1.1負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d2為全控器件S1占空比，則由上述公式可推導出電壓增益G及負載電壓平均值為：

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

系統采用獨立 PWM 控制，其控制信號發生圖如圖 2所示。將電感電流作為控制信號，利用理想電感電流值和實際測量電感電流值產生的穩態誤差，通過 PI控制器和輸出限幅環節產生調制信號，將該調制信號作為PWM發生器的輸入信號，然后PWM信號與給定的三角載波信號進行比較即可得到全控器件 S1 或者 S2 的控制信號輸出。

2.2 Matlab/Simulink仿真

采用Matlab/Simulink搭建理論模型對該系統進行仿真，論證該混合儲能系統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，全控器件的一個周期Ts內電感電流的波形始終處于周期振蕩狀態，且在全控器件導通前期存在較大的超調現象，在經過過渡期后會迅速趨于穩定，穩定值于X軸下方保持連續，方向與前一狀態相反;而全控器件S1在諸多周期內反復動作時，電感電流的值在多個周期內也在不停反復變化，由此可知電感的儲能情況是在跟隨全控器件S1的動作而變化的。

預充電回路監視并保護超級電容荷電狀態長期維持在一個較高的水平，由下圖4可知，當超級電容的放電深度在20%時，預充電回路可迅速拉升其電壓至100V并穩定，由此最大限度保護了超級電容的工作狀態，從時間軸上可以看見電路暫態時間極短，在0.05S內完成充電動作并維持其電壓不變;系統工作于Boost模式下時，直流母線側負載突然增大，其電壓波動情況如下右圖4所示。由波形可知，在負載電壓平滑上升趨于穩定后其中間經歷了一個電壓驟降的暫態過程，該過程有效模擬了城市軌道列車啟動和電車起步時直流母線側狀態，但由于Boost電路的作用，暫態過程極短的渡過，隨后負載電壓再次趨于穩定，Boost模式及預充電回路的有效性得以驗證。

3.結語

該雙向DC-DC變換電路在混合儲能系統中有較大的可行性，通過公式計算及Simulink仿真基本驗證了該電路在理論上的有效性;其本質是Buck/Boost電路在拓撲結構上的重組，既沒有改變電壓增益G也沒有改變負載平均電壓Uo輸出，但實現了對開關應力的有效降低及直流變換電路的高度整合，降低了經濟成本，縮小了系統體積，有效發揮了蓄電池及超級電容的優點，盡可能保證了蓄電池的使用壽命;立項課題所研究的獨立PWM控制策略可靠性高，獨立性強。

參考文獻

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作者簡介：李思淋，男，漢族，重慶九龍坡人，本科。