寬輸入范圍DC/DC變換器Burst與雙前饋復合控制策略

劉藝 劉寶泉 王偉 陳鵬宇 李潤琦

摘?要：蓄電池儲能是新能源發電及微電網的核心裝備，高動態響應始終是雙向DC/DC儲能變換器的關鍵指標.在沖擊性負載等大信號變化場景下蓄電池將高倍率放電，內阻因素導致其端電壓大幅跌落，限制了后級DC/DC變換器的快速輸出能力.為了提升DC/DC變換器在寬輸入范圍場景下的響應能力，在傳統電壓閉環基礎上，提出了一種Burst模式與輸入電壓和輸出負載前饋的復合控制策略.通過建立輸入電壓vin和負載電流iload對輸出電壓vo的擾動函數，分析擾動通道的作用機理和影響因素，快速估算跟蹤變換器的穩態工作點，并建立擾動抑制前饋函數，對占空比d進行調節以提升系統的響應速度.進一步設計輸出電壓vo滯環，通過滯環調節使變換器進入Burst模式以限制大信號變化場景下電壓vo的超調和振蕩.最后搭建了一臺功率為48 kW的實驗樣機，實驗結果表明本文所提出的Burst與雙前饋復合控制策略可有效提升大信號干擾下DC/DC變換器的響應速度，更適用于大功率、寬輸入電壓范圍的應用場景.

關鍵詞：Burst控制；輸入電壓前饋；輸出負載前饋

中圖分類號：TM46

文獻標志碼： A

文章編號：2096-398X（2023）04-0136-07

Abstract：Battery energy storage is the core equipment of new energy power generation and microgrid.High dynamics and high precision are always the key indicators of bidirectional DC/DC energy storage converters.In the scene of large signal change such as impact load，the battery will discharge at a high rate，and the internal resistance factor causes its terminal voltage to drop sharply，which limits the fast output capability of the downstream DC/DC converter.In order to improve the responsiveness of DC/DC converters in wide input range scenarios，based on the traditional voltage-current double closed loop，a composite control strategy of Burst mode and input voltage and output load feedforward is proposed.By establishing the disturbance function of the input voltage vg and the load current iload on the output voltage vo，the action mechanism and influencing factors of the disturbance channel are analyzed，the steady-state operating point of the converter is quickly estimated，the load disturbance component is extracted，and fed into the duty cycle d to adjust to improve system response speed.The output voltage vo hysteresis is further designed，and the converter enters the Burst mode through hysteresis adjustment to limit the overshoot and oscillation of the voltage vo in the scenario of large signal change.Finally，an experimental prototype with a power of 48 kW is built.The experimental results show that the Burst and double feedforward composite control strategy proposed in this paper can effectively improve the response speed of the DC/DC converter under large signal interference，and is more suitable for high power，wide Application scenarios for the input voltage range.

Key words：Burst control；input voltage feedforward control；output load feedforward

0?引言

國家“雙碳”目標的達成需要新能源發電技術的強力支撐，源-網-荷-儲一體化勢在必行，集中式、分布式光伏與儲能有機結合，并組建微電網優先為本地負荷供電是可預見的未來趨勢［1-3］.蓄電池儲能技術是新能源發電和微電網的核心裝備，主要用于波動功率的平抑與消納，并可在并網條件下通過峰谷電價調節實現經濟運行.雙向Buck/Boost變換器是蓄電池管理的重要拓撲，僅通過兩個開關器件控制實現功率的雙向流動，適用中小功率的非隔離直流應用場景［4］.高動態與高精度始終是雙向DC/DC儲能變換器的關鍵指標［5，6］.在功率劇烈波動以及負載突變等場景下，蓄電池將高倍率放電，內阻因素導致蓄電池端電壓瞬間大幅跌落.加載瞬間輸入電壓跌落限制了DC/DC變換器的快速響應能力，超出關鍵負載用電指標要求［7，8］.

針對上述問題，科研人員進行了大量研究工作，第一類方法是在傳統閉環中加入前饋控制.文獻［9］提出了V2C組合型三環控制方式，電流環采用峰值電流型，綜合了V2控制方法和電流型控制方法的優點；文獻［10］提出了輸入電壓前饋+比例積分（PI）調節的混合控制方式，通過狀態平均法建立數學模型，應用穩定性邊界軌跡法指導PI控制的設計以及前饋比例系數；文獻［11］提出了在比例控制電壓模式結構基礎上將輸入電壓與電容電流采樣之和的積分作為PWM環節的動態載波信號，輸入電壓前饋確保了比例控制下系統的穩態無差以及良好的抗輸入擾動能力；文獻［12］提出了帶輸入電壓前饋的兩模式平均電流控制策略，通過將具有電壓電流雙閉環結構的平均電流控制與單載波-雙調制的調制方法相結合，來提高變換器的動態響應性能.上述方法主要是基于變換器的小信號模型進行前饋設計，提升變換器的抗干擾能力，但是對于輸入電壓大幅跌落的大信號場景，未能有效提升變換器的響應速度.

第二類方法是結合滯環控制即Burst控制模式提升變換器的性能.文獻［13］提出了一種改進的數字電流滯環控制策略，在沿用已有的控制策略基礎上增加了對負載突變過程的檢測；文獻［14］提出一種基于微處理器的電流跟蹤控制方法，將電感電流控制在輸出電流的一個滯環寬度內；文獻［15］提出了一種PWM滯環控制方法，將輸入電壓前饋信號通過添加兩個電阻和一個RC積分比較器電路網絡；文獻［16，17］提出了一種具有輸出電容電流補償的新型滯環控制方法，通過在輸出電壓單環反饋中導入電容電流信息，將電容電流與輸出電壓相加作為反饋量，改善了電容充放電變化率，提高了負載突變時變換器的電壓精度.上述方法在變換器的響應速度下取得了一定的改善，但其需要額外的信息采集通道，且參數設計較為復雜，對變換器模型精度要求較高.

本文針對寬輸入范圍Buck/Boost變換器的快速響應問題，提出一種Burst模式與輸入電壓和輸出負載前饋的復合控制策略.通過分析輸入電壓Vin和負載電流iload對電感電流iL的擾動函數，快速估算變換器的穩態工作點，建立各擾動分量的前饋函數.進一步加入輸出電壓滯環，通過使變換器進入Burst模式，限制大信號變化場景下輸出電壓的超調和振蕩.所提方法可有效提升寬輸入范圍場景下變換器動態響應速度，具有良好的魯棒性和穩定性.

1?Buck/Boost變換器數學模型與傳統閉環控制

1.1?Buck/Boost變換器小信號模型

Buck/Boost變換器拓撲結構如圖1所示.其中，S1、S2分別為上、下橋臂開關管，Vin為直流輸入電壓，L為儲能電感，C為輸出電容，R為負載，S1與S2互補發波.

本文以小信號分析法建立模型［18-20］，電路在穩態工作時運行在CCM連續導通模式.假設變換器功率器件為理想器件，純阻性負載，忽略開關頻次以及倍頻次諧波.當電路S1導通S2關斷時，由變換器工作原理可得濾波電感電壓為：

由式（7）～（11）得到電壓反饋閉環系統控制框圖如圖3所示.其中，Gm（s）是PWM脈寬控制器，轉化為相對應占空比的脈沖信號.

由圖4和圖5可以看出，幅頻特性曲線全頻段范圍內均在0 dB線以下，閉環控制對輸入電壓和輸出負載擾動均有較好的抑制作用，具有良好的抗干擾能力.

2?Buck/Boost變換器Burst與雙前饋復合控制策略

2.1?Burst與雙前饋復合控制整體框圖

為了提升Buck/Boost變換器在輸入電壓跌落等大信號場景下的動態響應，本文提出一種Burst與雙前饋復合控制策略，整體框圖如圖6所示.主要分為：穩態工作點跟蹤、負載電流與輸入電壓前饋、Burst機制三個部分.

2.2?穩態工作點跟蹤方法

在Buck/Boost變換器大功率加載時，蓄電池高倍率放電導致其端電壓會大幅跌落，限制了變換器的輸出能力.根據公式（4）可知，［Vin，Vo，IL，D］決定了Buck/Boost變換器的穩態工作點.傳統控制器設計均基于變換器在該穩態工作點附近的工作特性，即小信號線性化模型.蓄電池端電壓Vin大幅跌落時，電感電流iL和占空比d均將發生偏離，如果該系統特性是穩定的，經歷一定的動態過程后，系統將到達另一個穩態工作點［Vinx，Vox，ILx，Dx］.

基于穩態工作點［Vin，Vo，IL，D］設計的控制器僅在該點附近有足夠的穩定裕量和環路帶寬.在Vin跳變的大信號過程中，原控制器并不能保證變換器具有良好的穩態與動態性能.為了提升變換器在大信號擾動下的動態性能，可通過快速追蹤穩態工作點，提前計算并設定新狀態下的額定占空比Dx，以減少控制器積分時間.

本文即采用Dx估算的方法進行穩態工作點跟蹤.實時采集輸入電壓Vin，根據CCM模式下的輸入與輸出電壓關系計算Dx值，計算公式為（13），其中Vref為目標輸出值.

上述穩態工作點跟蹤處于變換器閉環控制的前饋通道，Vin中除了穩態分量外，還包含小信號擾動分量，也將通過公式（13）前饋至系統調節，可能引入穩定性風險.另外，在公式（13）中，Vin處于分母位置，噪聲引起的采樣干擾可能導致占空比大幅調節，使系統魯棒性下降.在實際應用中，需要對Vin進行低通濾波處理，濾波帶寬可根據變換器動態響應需求和噪聲頻帶分布進行折中設計.

2.4?Burst模式作用機制

在Buck/Boost變換器突減載場景下，蓄電池放電電流瞬間減小，其端電壓Vin瞬間抬升，使得變換器輸出電壓Vo超調嚴重.即使加入了穩態工作點跟蹤算法，由于電感和電容儲能釋放緩慢，電壓超調依然嚴重.

為了限制輸出電壓超調，本文設計了輸出電壓滯環，通過使變換器進入Burst控制模式實現電壓超調限制，進入Burst控制模式后具體工作原理如圖6和圖9所示.在圖9中，VH和VL分別為滯環上下閾值，S為Burst模式控制函數.

開關函數S如式（22），當時輸出電壓vo高出上限閾值VH，如圖9中［t2-t3］區間，此時S=0，意味著圖6中占空比設定為0，Buck/Boost變換器開關管S1封波，但是下管S2依然按環路計算占空比進行調節；等待輸出電壓下降至閾值區間內，此時S保持為零如區間［t3-t4］；電壓進一步下降至滯環下限VL，此時S=1，恢復S1占空比調節.

需要重點說明的是，本文Burst模式的開關函數S僅用于Buck/Boost變換器開關管S1封波控制.其主要作用是在輸出電壓超調后，斷開蓄電池通過Buck模式向負載的供電通路；下管S2依然根據閉環控制進行調節，使電感和電容的儲能可通過Boost模式將能量快速回饋至蓄電池，減少超調.

3?實驗驗證

3.1?樣機搭建

本文搭建了一臺功率為48 kW的Buck/Boost變換器實驗平臺，采用14錯相Buck/Boost變換器實現，實驗平臺參數如表1所示.

具體實驗裝置如圖10所示，主要包括功率電路、驅動電路、控制電路、輔源電路等部分.控制器采用TMS320F28335，開關管為IXYS的XFN17065X2，驅動芯片選用MIC4451.

3.2?負載投切實驗

圖11是采用傳統PI控制器但未加入前饋控制的實驗波形圖，在輕載時加入Burst控制策略.其中，Vgs為驅動信號，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，iload為負載電流.可以看出空載輸出電壓為200 V，加載瞬間跌落了11 V，經過約24 ms后，Vo恢復至200 V.

加入穩態工作點跟蹤及前饋控制后，在突加負載場景下，變換器的輸出波形如圖12（a）所示，圖12（b）為暫態過程的局部放大圖.可以看出，在空載狀態下，變換器工作在Burst模式，此時是由于變換器14錯相輸出能力強，數個發波周期即可使得輸出電壓Vo超出環寬上限閾值VH.由圖12（b）看出加載瞬間可以看出電壓僅跌落6 V，響應時間僅為2 ms，在此期間輸出電壓略微上升，是因為電壓跌落瞬間控制器加入前饋控制算法響應速度很快，有一定超調現象.本文所提方法有效提升了變換器在大信號干擾下的響應速度.

圖13（a）為Burst與雙前饋控制策略突減負載實驗波形圖，圖13（b）為暫態過程的局部放大圖.可以看出，變換器減載后電壓超調幾乎為0 V，且空載后變換器進入Burst控制模式.上述測試結果說明，本文所提出的Burst與雙前饋控制策略可以在大信號干擾下有效提升變換器的動態響應能力，抑制電壓超調.

4?結論

本文針對提高直流儲能Buck/Boost變換器寬輸入范圍場景下的響應能力，在傳統電壓閉環基礎上，提出了一種Burst模式與輸入電壓和輸出負載前饋的復合控制策略，通過穩態工作點快速追蹤、輸入電壓與負載電流前饋、Burst模式限制等手段，有效提升了Buck/Boost變換器在突加負載和突減負載等大信號場景下的動態響應能力.最后，搭建實驗平臺進行驗證，所得結果驗證了所提方法的有效性.

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【責任編輯：蔣亞儒】

基金項目：陜西省科技廳重點研發計劃項目（2020GY-042）

作者簡介：劉?藝（1999—），女，陜西咸陽人，在讀碩士研究生，研究方向：電源供電技術與微電網的智能控制技術

通訊作者：劉寶泉（1987—），男，河北保定人，副教授，博士，研究方向：微電網自穩與致穩能力提升、多軸運動控制技術，liubq@sust.edu.cn