李春祥,李壮举,王　佳,田　乐

(北京建筑大学电信学院,北京 10044)



基于互补PWM控制的双功率变换在混合储能控制中的研究*

李春祥,李壮举*,王佳,田乐

(北京建筑大学电信学院,北京 10044)

摘要:暂态过程中出现的电压跌路和负荷冲击会导致母线电压不稳定,从而对微电网运行造成影响。为削弱这一影响,提出基于功率前馈和双闭环控制策略的双功率变换拓扑结构。该结构结合超级电容和蓄电池进行储能,引入Buck/Boost双功率变换回路,对功率半导体器件采用双PWM控制,实现能量双向流动;建立了状态方程模型并对其进行仿真;结果表明,该结构及控制策略能有效抑制暂态过程中直流母线的电压波动,超调量几乎为零,母线电压在400 V处维持恒定。

关键词:微电网;混合储能;双PWM控制;Buck/Boost双功率变换电路;功率前馈控制

利用超级电容等快速储能技术非常适用于微型电网运行过程中的瞬时功率平衡控制[1-2],所以超级电容结合蓄电池构成混合储能模型,对微型电网中出现的瞬时功率不平衡问题有较好的研究价值。PWM逆变器的直流母线是储能与微型电网能量交换的通道,当微型电网功率波动引起流经PWM逆变器的功率发生变换时,必然引起直流母线电压的变化。若控制不当,母线电压释放能量引起电压迅速降低,导致PWM逆变器无法正常工作。因此,抑制母线电压的波动是解决储能控制问题的一个突破口。在背靠背变流系统中,为了抑制直流母线电压波动,可以增大母线电容,但会导致系统响应变慢。文献[3]提出优化前馈控制策略,但未基于双向Buck/Boost双向变换器建立模型;文献[4]虽然提出基于双向Buck/Boost变换器的直接控制策略,对母线电压波动有一定的抑制能力,但只采用单功率变换的电路;文献[5]虽然把混合储能模型用于微电网平滑切换控制,但对直流母线电压波动问题未具体涉及。

本文将Buck/Boost双向变换器应用于混合储能系统,进行控制系统设计,通过仿真验证了所提出结构及控制策略的有效性。

1　储能模型

1.1传统储能结构模型

传统的储能等效电路如图1所示,它由蓄电池、Buck/Boost双向变换器、三相PWM逆变器及并网阻抗组成,仅利用蓄电池作为储能,由于蓄电池功率密度低,不能迅速放出能量[6-7],不能很好地解决电压波动等带来的瞬时功率不平衡问题,而且电路储能单元单一,储能能力有限。

图1　传统储能等效电路图

图3　双PWM控制驱动信号工作示意图

1.2基于双PWM控制的双功率变换的混和储能电路结构

为了克服传统储能结构模型不能迅速放电以及超级电容能量相对较小,充放电能力有限的缺点,把超级电容和蓄电池模型都经过功率变换电路与微电网侧相连构成双功率变换混和储能电路模型,模型具备大功率输出和大容量储能的能力如图2所示。选用双PWM[8-9]控制,让2个功率半导体器件同时工作,在不同的时段给予器件互补的驱动信号,让超级电容构成的双向变换器和蓄电池构成的变换器在不同时刻工作,均可以获得双向状态切换,而且相对于独立的PWM技术,不需要状态逻辑单元就可以获得双向切换,系统响应更快,互补PWM控制驱动信号工作原理如图3所示。

图2　混和储能等效电路图

2　双PWM控制的双向变换器的建模

如图2所示,双向功率变换器建模过程与单一变换器建模过程类似,以双向变换器1为例建立数学模型,设iload=i2-i1,S1/d1导通的时间为d,电感电流iL1和理想电容电压uc为状态变量,利用状态空间平均法,建立状态方程:

(1)

则在稳态工作点(uC0,iL10,iL20,iload0,d0,us0)处,有:

(2)

在稳态工作点处对系统添加扰动:

uc=uc0+Δuc,iL1=iL10+ΔiL1,iload=iload0+Δiload0

d=d0+Δd,usc=usc0+ΔuSC

忽略二阶分量,线性化可得模型:

(3)

取电感电流iL1,输出电流i0与电容电压uc为输出量,则系统的输出方程:

(4)

由式(3)、式(4),线性化化后可得:

(5)

图4　Buck/Boost双向变换器数学模型的系统框图

由式(3)、式(5)建立Buck/Boost双向变换器数学模型的系统框图,如图4所示。

3　基于双PWM控制的Buck/Boost双向变换器控制策略

由于Buck/Boost[10]双向变换器的控制系统模型传递函数存在正极点,开环不稳定[11],为了保证混合储能系统在暂态情况下能保持稳定,即具有较好的静动态性能,考虑稳定直流母线电压的控制目标,采用电容电压和电感电流状态双闭环[12]控制,系统控制框图如图5所示。

图5　双闭环控制系统框图

不考虑系统及控制延时,对电容外环采取恒压控制,由图4和图5可建立电流内环和电压外环传递函数。

ΔiL1=

(6)

(7)

从式(6)、式(7)可以看出,引起母线电压Δuc波动的因素主要是Δiload和Δusc。为了降低母线电压波动,一是可以增大母线电容C,但是增大母线电容会带来系统体积增大,延缓系统响应速度;二是通过加强调节器GVR(s)的作用,但是如果在载荷波动较大的情况下,短时间内仍然会造成母线电压波动。为了消除Δiload和Δusc对母线电压Δuc造成的影响,更有效的抑制直流电压的波动问题,采用功率前馈的方法,建立Buck/Boost双功率变换器的功率前馈+双闭环控制策略模型。

如图6所示,建立电压外环的传递函数

Δuc=

(8)

忽略超级电容内阻rsc,则取Kf=1/K,就可以完全消除Δiload和Δusc的影响,即直流母线电压uc理论上不再受载荷电流和电源电压的变化的影响,暂态下保持稳定。

图6　BUCK/BOOST双功率变换器的功率前馈+双闭环

4　仿真及结果分析

首先为了验证引入超级电容混合储能的有效性,采用MATLAB/Simlink软件建立模型并进行仿真。仿真参数如下:超级电容200V,10F,0.1Ω;直流母线电压600V;直流侧电感0.8MH,0.2Ω;直流母线电容3.3MF;开关频率10kHz。t=0时刻,给系统一个阶跃干扰,比较传统的蓄电器模型混和储能模型直流母线电压变化情况,仿真波形如图7、图8所示。

图7　基于蓄电器模型的母线电压波动图

图8　基于改进的混合储能模型母线电压波动图

图9　采用双功率变换混和储能主电路结构图

由图7、图8对比可知,给予系统一个相同的阶跃扰动,蓄电池模型超调量较大,波动明显,而混和储能模型超调量降为25%,而且能更快维持直流电压母线电压的稳定在400 V,表明采用混和储能结构后的系统暂态性能得到改善。

为了更好的改善系统暂态性能,在上面仿真的基础上,采用双功率变换混和储能拓扑结构,选用双闭环和功率前馈控制策略,主电路结构如图9所示,在同样的环境下进行仿真,仿真参数如下:超级电容200 V,20 F,0.12 Ω;直流母线电压600 V;直流侧电感0.8 MH,0.2 Ω;直流母线电容3.3 MF,2 kΩ;开关频率10 kHz。Buck/Boost双向变换器正常工作,其占空比d0=0.4。仿真波形如图10所示。

由图10可知系统在受到阶跃扰动后,逆变侧三相电压、电流迅速恢复并保持相位一致,从而电网侧系统能稳定运行。

图10　逆变侧交流电压和电流波形图

由图11可知系统在同样时刻受到相同扰动后,直流母线电压瞬间恢复,超调量为0.017%,而后在400 V处维持恒定。对比图7和图8可知,采用双功率变换混和储能改进后的系统暂态性能明显提高。

图11　采用双功率变换混和储能后暂态特性图

5　结论

电压跌路或波动等导致电压波动会反映在直流母线电压上,从而影响储能稳定调节的发挥,如果不对这些干扰因素进行处理,微电网将无法稳定。本文采用基于双功率变换混和储能拓扑结构,采用双闭环和功率前馈控制策略,针对电压波动带来的不稳定问题进行处理和优化。仿真结果表明,该结构及控制策略能很好地处理电压突变带来的波动问题,对微网暂态功率不平衡问题的解决具有重要意义。同时论文具有如下创新:

(1)在蓄电池储能基础上,提出超级电容与蓄电池混合储能双功率结构,解决电压波动带来的功率不平衡问题;

(2)基于互补PWM控制的双功率变换混和储能电路,采用电压电流双闭环和功率前馈控制策略,较好地实现了系统的暂态平衡,提高了系统的稳定性。

参考文献:

[1]张雷.超级电容在微电网中的应用研究[J].电力系统自动化2009(7):76-78.

[2]周扬,王晓峰,张高飞,等.基于聚吡咯微电极的MEMS微型超级电容器的研究[J].电子器件,2011,34(1):1-5.

[3]李时杰,李耀华,陈睿.背靠背变流系统中优化前馈控制策略的研究[J].中国电机工程学报,2006,26(22):74-79.

[4]张国驹,唐西胜,周龙,等.基于互补PWM控制的Buck/Boost双向变换器在超级电容储能中的应用[J].中国电机工程学报,2011(7):15-18.

[5]刘志文,夏文波,刘明波.基于复合储能的微电网运行模式平滑切换控制[J].电网技术,2012,36:1-7.

[6]孙艳玲,罗友,张东清.一种基于单片机实时显示太阳能充放电控制器设计[J].电子器件,2012,35(4):435-439.

[7]段朝伟,徐海刚.电动汽车电池智能充电系统设计与实现[J].电子器件,2013,36(2):256-259.

[8]王宇星,朱波.一种用于PWM控制Buck型DC-DC变换器的带隙基准源[J].电子器件,2013,36(2):252-255.

[9]孟彦京,李林涛,张晓娟.变速恒频风力发电用双PWM变换器的协调控制[J].电子器件,2013,36(5):712-716.

[10]张旭辉,温旭辉,赵峰.电机控制器直流侧双向Buck/Boost变换器的直接功率控制策略研究[J].中国电机工程学报,2011,32(33):15-21.

[11]李仲秋.高阶锁相环稳定性因子的定值分析[J].电子器件,2011,34(3):337-340.

[12]刘畅,黄正兴,陈毅.双闭环控制感应加热电源设计与仿真分析[J].电子器件,2012,35(6):736-740.

李春祥(1987-),男,汉族,河南汝南人,北京建筑大学在读硕士研究生,研究方向为微电网混合储能稳定控制,lchunxiang@126.com;

李壮举(1975-),男,河南南阳人,北京建筑大学讲师,北京西城,研究方向为微电网混合储能稳定控制,lizju196@163.com。

TheStudyoftheComplexEnergyStorageControloftheBi-DirectionalPowerTransformationBasedontheComplementaryPWMControl*

LIChunxiang,LIZhuagju*,WANGJia,TIANLe

(Institute of Electrical Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architeture,Beijing 10044,China)

Abstract:In order to weaken the influence on micro-grid operation of dc-bus voltage instability caused by Voltage drop or shock load during transient state process,a bi-power conversion topology was presented,which adopted feed-forward and Double-closed-loop control strategy.The program combines the super capacitors and batteries,imports Buck/Boost bi-power conversion circuit,adopts complementary PWM control of the structure of two power semiconductor devices,realizes the energy bi-directional transformation.And the state equation models are built and simulated.The simulation results showed that the voltage fluctuation of the dc-bus voltage is immunized effectively by the structure and the technology,maximum deviation almost is zero and the bus voltage is maintained at 400 V place stationary.

Key words:micro-grid;complex energy storage;complementary PWM control;Buck/Boost bi-directional power converter;power feed-forward control

doi:EEACC:836010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.037

中图分类号:TM910

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0973-05

收稿日期:2013-09-15修改日期:2013-12-01

项目来源:校级科研基金项目(00331611016);北京市教育委员会科技计划面上项目(KM201310016002)