荆 哲，米 珂，张浩淼，杨沛豪，潘乐宏

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新能源发电储能系统中分布式能源来自风能、太阳能和生物能，其中以光伏发电储能所占的比例较大[1-2]。在光伏发电储能的联合系统中，通常是将DC 源、AC 源与一条直流母线相连，直流母线通过DC-DC 变换器与储能单元相连[3]。因此，如何实现光伏发电单元、储能单元之间的良好控制对光伏发电储能系统的安全可靠运行具有重要作用[4]。

文献[5-7]将无隔离型DC-DC 作为研究对象，针对电源模块的环流问题，提出一种基于一致性算法的多电源模块均流控制策略，该控制策略首先建立DC-DC 电源模块的并联模型，并引入零序环流电压补偿，实现DC-DC 电源模块的均流。为了满足光储系统对DC-DC 电源模块的较高要求，文献[8-10]提出一种高频DC-DC 电源并联均流控制方法。该方法依据负载调整率、电流均流度等指标函数，求出电流均流差值和虚拟阻抗的最优表达形式，保证并联DC-DC 电源系统的均流。针对传统DC-DC 变换器功率不平衡的问题，文献[11-13]提出一种基于无电流传感器的双重移相均流控制策略，通过一个电流观测器对系统参数进行准确估算，在此基础上，完成各相并联DC-DC 电源模块的逐级自动均流。为了提高光伏发电储能系统中的供电质量，文献[14-16]以DC-DC 两相并联电源电路为研究对象，提出一种移相均流控制策略来减少电流纹波。以上文献中DC-DC 电源模块所采用的电流均流控制算法均属于同相均流，同相均流控制策略虽然具有良好的电流均流效果，但流入储能单元的总充电电流纹波却并未降低。

本文提出一种反相均流控制方法，将其应用在光伏发电储能系统两相并联DC-DC 变换电路中，在保证良好的电流均流效果的基础上，最大程度降低储能单元的总电流纹波；此外，考虑光伏发电具有非线性、间歇性等特征，对控制策略中的电流观测器进行改进，设计了一种抗扰动观测器，并应用到两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略中，对系统存在的扰动进行估算并将误差电压反馈至输入侧抵消外部扰动带来的影响；最后通过实验验证所提方案的正确性和实用性。

1 光伏发电储能系统

图1 为光伏发电储能系统原理。图1 中，Pdg为光伏发电单元输出的有功功率，P为电网输入的有功功率。储能单元采用两相并联DC-DC 变换电路，该电路结构能够应用电流均流控制来提高储能单元的充放电动态性能。两相并联DC-DC 变换电路拓扑结构如图2 所示。

图2 中，Udc为直流母线电压，Cdc1为直流母线侧电容，U0为储能单元两端电压，Cdc2为储能单元侧电容，R1、R2、L1、L2分别为DC-DC 变换器的两相电阻和电感，P0为储能单元输入的有功功率。

光伏发电储能系统可以分为充电和放电2 种工作模式。本文将充电模式下的光伏发电储能系统作为研究对象，即P0=Pdg－P＞0，此时，DC-DC 变换电路仅考虑在降压（Buck）模式下工作。

2 并联DC-DC 变换电路反相均流控制

光伏发电储能系统两相并联DC-DC 电路传统的控制策略为同相均流控制，但同相均流控制对储能单元的总电流纹波抑制能力较弱。因此，本文采用反相均流控制，在提高储能单元安全可靠运行的基础上，降低总电流纹波。两相并联DC-DC 变换电路在Buck 模式下工作时，令PWM 占空比D大于1/2，即Udc＜2U0。此时，令流入储能单元的电流方向为正，且两相并联DC-DC 变换电路的L1、L2参数相等。当逆变装置上管导通时，流过L1、L2的两相电流，可以写为

当上管闭合时，流过L1、L2的两相电流为

因为R1=R2，定义UR1=UR2=UR，L1、L2电感参数相同，所以流过2 个电感的电流上升变化率和下降变化率也相同，定义L1=L2=L。设电流上升变化率为k1=(Udc-U0-UR)/L、电流下降变化率为k2=-U0-UR/L。两相并联DC-DC 变换

电路同相均流控制下的两相电流iL1和iL2相同，此时，储能单元的总电流纹波电流的峰-峰值为

式中，ΔiL1和ΔiL2分别为同相均流控制下的两相电流上升时间内的电流增量，T为开关采样周期。

反向均流控制下，两相电流iL1和iL2分别为：

式中t为储能单元充电时长。根据式(4)和式(5)，可以得到反相均流控制下的储能单元总电流纹波电流的峰-峰值为

比较式(3)和式(6)，可以得到同相均流控制和反向均流控制2 种控制策略下的储能单元总电流纹波变化量为

式中f为载波频率。

相较于同相均流控制，反相均流控制下的储能单元充电总电流纹波明显降低，因此，本文采用两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制方案。因为L1、L2两相完全相同，因此以L1相为例进行说明。两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制原理如图3 所示。图3 中GPWM为脉宽调制器的传递函数。

3 抗扰动观测器

光伏发电储能系统两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略虽然能够实现两相均流，并能够降低储能单元充电总电流纹波，但由于光伏发电的不稳定性存在直流母线电压波动，因此本文在控制系统中加入抗扰动观测器，缓解抗干扰能力较差的问题。抗扰动观测器由三部分组成，分别为信号提取模块、状态观测器模块、非线性反馈控制模块。

1）信号提取模块

信号提取模块作用是提取两相电流参考指令i*L1和i*L2的跟踪信号和微分信号，使调节过程平稳，提高系统动态特性。离散状态下表达式为

式中：x1(k)为参考指令电流的跟踪信号；x2(k)为参考指令电流的微分信号；T为开关采样周期；g[x1(k),x2(k),l,m]为最优控制函数；l为速度参数，取l=15；m为滤波参数，取m=0.5。

2）状态观测器模块

状态观测器模块作用是跟踪两相实际电流iL1和iL2，此外，还能估测出系统扰动量，状态观测器模块在离散状态下的表达式为

式中：y1(k)为电流iL1的跟踪值；y2(k)电流iL2的微分值；y3(k)为扰动值；α1、α2、α3分别为状态观测器模块参数，其中α1、α2影响状态量的观测值，α3影响扰动量的观测值，一般有α1＜α2＜α3，取α1=10、α2=20、α3=30；β1、β2、β3分别为函数h内部参数，当参数在0~1 范围内时，函数h误差较小，增益较大，取β1=0.25、β2=0.5、β3=0.75；δ为函数h的选择区间域，取δ=0.000 1；sign(x)为符号函数。

3）非线性反馈控制模块

非线性反馈控制模块作用是将微分信号跟踪模块的输出x1、x2和状态观测器模块y1、y2的差值e1、e2进行非线性组合，生成控制量，实现不积分就能完成无静差控制的结果。非线性反馈控制模块在离散状态下的表达式为

基于抗扰动观测器的两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略原理如图4 所示。同样以L1相为例进行说明。基于抗扰动观测器的光伏发电储能系统两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略原理如图5 所示，图5 中KI为电流采样系数。

4 实验验证

为了验证本文所提方案的有效性，建立基于抗扰动观测器的光伏发电储能系统两相并联DC-DC变换电路反相均流控制策略的实验平台。以TMS320F2812 型DSP 为控制核心，主要参数为：直流母线电压Udc=280 V，储能单元额定电压U0=70 V，开关频率f=10 kHz，滤波电容Cd1=Cd2=1 000 μF，两相桥臂电感参数L1=L2=1.2 mH。

为了验证两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略的控制效果，比较两相电流独立控制、两相电流同相均流控制、两相电流反相均流控制3 种控制策略的两相电感电流iL1和iL2，得到电流波形如图6 所示，此时充电总电流为15 A。

由图6a)可以看出，当充电总电流为15 A 时，两相电感电流iL1、iL2并未均分，两相电流存在4.2 A的差距，当充电电流越大时，电流差距越大，这种现象对DC-DC 变换电路控制系统极为不利。从图6b)可以看出，在两相电感电流同相均流控制下，两相电感电流iL1、iL2及波形基本相同，实现了均流控制。从图6c)可以看出，采用反相均流控制时DCDC 变换电路的两相电感电流iL1、iL2及波形基本相同，与同相均流控制的主要区别是相位相差180°。

图7 为同相均流与反相均流2 种均流控制策略下的充电总电流波形。

从图7 可以看出：同相均流控制下的充电总电流纹波较大，总电流峰-峰值约为9.5 A；反相均流控制时的总电流纹波明显降低，总电流峰-峰值约为6.6 A，峰-峰值降低2.9 A。可以得出：同相均流控制和反相均流控制均能够实现两相电感电流的均流，但反相均流控制下的充电总电流稳态特性明显优于同相均流控制下的充电总电流。

为了验证基于抗扰动观测器的光伏发电储能系统两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略的动态特性，负载电阻由R=80 Ω 突变至R=40 Ω，再由R=40 Ω 突变至R=80 Ω 的过程中，比较加入/未加入抗扰动观测器的同相均流控制策略下的直流母线电压和充电总电流动态响应波形，以及加入/未加入抗扰动观测器的反相均流控制策略下的直流母线电压和充电总电流动态响应波形。

图8 为2 种控制策略下的直流母线电压动态响应波形。由图8 可见，无论突增或突降负载，2 种控制策略下的Udc均能保持在280 V 附近，但在负载突变瞬间直流母线电压会有瞬时波动。

表1 为2 种控制策略下的电压波动幅值和调节时间。由表1 可见，加入抗扰动观测器的反相均流控制的直流母线电压动态响应特性明显优于其余3 种控制策略的直流母线电压动态响应特性。

表1 2 种控制策略下直流母线电压动态特性分析Tab.1 Analysis of DC bus voltage dynamic characteristics in two control strategies

图9 为2 种控制策略下的充电总电流动态响应波形。从图9 可以看出，当负载突变时2 种控制策略下的充电总电流均无超调量，未加入抗扰动观测器的同相均流控制的充电总电流最大调节时间为34.0 ms，加入抗扰动观测器的同相均流控制下的充电总电流最大调节时间为27.5 ms。未加入抗扰动观测器的反相均流控制下的充电总电流最大调节时间为29.0 ms，加入抗扰动观测器的反相均流控制下的充电总电流最大调节时间为15.0 ms。故加入抗扰动观测器的反相均流控制具有较好的鲁棒性。

5 结 语

传统光伏发电储能系统DC-DC 变换电路采用同相均流控制策略，无法抑制电流纹波，且存在直流母线电压波动。本文提出一种基于抗扰动观测器的两相并联DC-DC 变换电路反相均流控制策略。实验结果表明，本文所提方案实现了光伏发电储能系统两相并联DC-DC 变换电路的电流均分，抑制了充电总电流的纹波，提高了控制系统的稳态特性，降低了直流母线电压波动给系统造成的影响，提高了控制系统的动态特性。