雷加智，王珂，成燕，李勛，孫波

(1．華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074; 2．大力電工襄陽股份有限公司武漢研發(fā)中心，湖北武漢430074; 3．武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

一種蓄電池充電器的數(shù)字控制器優(yōu)化設(shè)計

雷加智1，2，王珂1，成燕3，李勛1，孫波2

(1．華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074; 2．大力電工襄陽股份有限公司武漢研發(fā)中心，湖北武漢430074; 3．武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

基于微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)，設(shè)計了一種新的蓄電池充電電路，介紹了蓄電池充電電路的特點及控制策略。詳細介紹了全釩液流電池(VRB)的工作原理，根據(jù)全釩液流電池的特性及全釩液流電池的一階阻容模型，運用小信號模型分析法和狀態(tài)空間平均法建立了蓄電池恒流充電時的數(shù)學(xué)模型，提出了一種基于蓄電池一階阻容模型的DC-DC雙向變換電路的建模方法，然后利用數(shù)字控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的方法，設(shè)計了DC-DC雙向變換電路的數(shù)字控制器。最后，基于DC-DC雙向變換器的電池充放電控制策略及全釩液流電池的仿真模型，利用MATLAB搭建了系統(tǒng)的仿真電路，并搭建了2kW蓄電池充電電路的實驗樣機，仿真和實驗結(jié)果表明，設(shè)計的蓄電池充電電路及其控制策略是可行的。

蓄電池充電電路;一階阻容模型;參數(shù)優(yōu)化

1 引言

電池管理系統(tǒng)中，當光伏電池的功率大于負載功率時，光伏電池不僅僅對負載提供能量，而且會將多余的能量以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中。當光伏電池的功率小于負載功率時，光伏電池不足以對負載提供能量，此時蓄電池會將儲存的化學(xué)能以電能的形式釋放出來，對負載供電。

DC-DC雙向變換電路既可以工作在Buck模式，也可以工作在Boost模式，即可以實現(xiàn)能量的雙向流動，可以用于蓄電池的充放電，以實現(xiàn)蓄電池的儲能，在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有重要的作用［1］。

全釩液流電池是大型的電力存儲系統(tǒng)，在分布式電源中有許多潛在的應(yīng)用。文獻［2-4］全面介紹了全釩液流電池的工作原理，對全釩液流電池的充放電特性和等效電路模型做了系統(tǒng)的介紹并仿真了系統(tǒng)的運行特性。

文獻［5，6］基于獨立的光伏系統(tǒng)，提出了一種帶有最大功率跟蹤的雙向DC-DC變換器，文獻［7，8］對蓄電池側(cè)采用等效電阻的方法，對雙向DCDC變換器進行了建模分析，設(shè)計了相應(yīng)的閉環(huán)控制器。這種建模的方法沒有考慮蓄電池側(cè)電壓的變化，與實際電路模型有較大的偏差。

本文根據(jù)微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)，設(shè)計了一種新的蓄電池充電器，分析了拓撲的結(jié)構(gòu)及優(yōu)勢?；谖墨I［9，10］中提出的蓄電池一階阻容模型，用于全釩液流電池的建模，對基本的雙向DC-DC變換器進行了建模分析，并設(shè)計了蓄電池充電器的恒流控制系統(tǒng)，通過MATLAB仿真和2kW實驗樣機的測試，驗證了設(shè)計和建模的正確性。

2 系統(tǒng)的拓撲與控制

2.1 主電路拓撲

圖1為設(shè)計的微電網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓撲，整個系統(tǒng)采用共交流母線的結(jié)構(gòu)，儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有重要的作用。

圖2為全釩液流電池儲能系統(tǒng)主電路拓撲圖，整個充電系統(tǒng)采用兩級控制，第一級用單相高頻PWM整流電路，將220V交流電源整流到參考電壓值，第二級采用基本的Buck-Boost電路，得到恒定的電流值，給蓄電池充電。

圖1 微電網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓撲Fig．1Topology of microgrid system

圖2 全釩液流電池儲能系統(tǒng)主電路拓撲Fig．2Topology of VRB energy storaging circuit

這種新的拓撲結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，而且可以利用基本的Buck-Boost電路的并聯(lián)方式，解決高壓側(cè)直流母線電壓和低壓側(cè)蓄電池電壓的匹配問題，可以用在大容量的蓄電池儲能系統(tǒng)中。

2.2 全釩液流電池的原理

全釩液流電池的反應(yīng)在兩種電解液中發(fā)生，因而沒有電沉淀產(chǎn)生，這兩種電解液儲存在罐內(nèi)，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 全釩液流電池的結(jié)構(gòu)圖Fig．3Diagram of vanadium redox flow battery

VO2+/VO2+儲存在陽極，V3+/V2+儲存在陰極。充電時，H+通過離子交換膜從陽極到達陰極，電子e－通過外電路從陽極到達陰極。與此同時，陽極的VO2+轉(zhuǎn)化成VO2+，陰極的V2+轉(zhuǎn)化成V3+。

放電時，H+通過離子交換膜從陰極到達陽極，電子e－通過外電路從陰極到達陽極。與此同時，陽極的VO2+轉(zhuǎn)化成VO2+，陰極的V3+轉(zhuǎn)化成V2+。電池的總化學(xué)反應(yīng)方程式為:

2.3 DC-DC雙向變換器建模

電池充放電可以在恒流、恒功率下進行，對電流、功率進行檢測，通過與三角載波的比較，可以控制開關(guān)管IGBT，用于控制DC-DC雙向變換電路［11］。圖4為DC-DC雙向變換器在恒流充電模式下的控制電路。

圖4 DC-DC雙向變換器恒流控制電路Fig．4Control circuit of BDC under constant current charging mode

VH為高壓側(cè)DC總線的電壓，VL為低壓側(cè)蓄電池的電壓。圖4中，開關(guān)管S1、二極管D2、電感L和低壓側(cè)電容CL構(gòu)成了一個Buck電路，開關(guān)管S2、二極管D1、電感L和高壓側(cè)電容CH構(gòu)成了一個Boost電路。

全釩液流電池的模型可以用電池的一階阻容模型來建模，以對全釩液流電池的電路模型進行簡化，如圖5所示。

圖5 電池的一階阻容模型Fig．5Resistance-capacitance model of battery

CP、RP分別為等效極化電容和極化內(nèi)阻，Rs為電池的內(nèi)阻，E為電池的電動勢。用極化電容和極化內(nèi)阻來模擬電池充電的過程，用電池的內(nèi)阻來模擬不同充電電流下電池電動勢的差異。

利用擾動法的小信號線性模型［12］，在CCM的情況下，可以得到占空比d到輸出電流Io的小信號傳遞函數(shù):

根據(jù)式(2)，可以得到恒流充電模式下，DC-DC雙向變換電路的控制框圖，如圖6所示。其中，Gid(s)、Gig(s)分別為電流Iref和電動勢E的傳遞函數(shù)，如下:

圖6 DC-DC雙向變換電路的恒流控制框圖Fig．6Control block diagram of DC-DC under constant current charging mode

2.4 參數(shù)優(yōu)化方法介紹

參數(shù)優(yōu)化方法就是要找到合適的控制器參數(shù)，使系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。圖7為參數(shù)優(yōu)化的方法結(jié)構(gòu)框圖，仿真理想模型為設(shè)計的參考模型，e(t)為仿真系統(tǒng)與參考模型的響應(yīng)之差，Q為參數(shù)優(yōu)化的目標函數(shù)。

當目標函數(shù)Q值不滿足要求值時，就改變控制器參數(shù)的值，直到目標函數(shù)值滿足所要求的值為止，這樣就得到了優(yōu)化后的控制器參數(shù)值。

圖7 參數(shù)優(yōu)化方法的結(jié)構(gòu)框圖Fig．7Block diagram of parameter optimization method

3 數(shù)字控制參數(shù)設(shè)計

3.1 被控對象

根據(jù)DC-DC雙向變換電路的電路參數(shù)，恒流I0=50A(恒流50A，充電時間按照5h計算)，及2kW全釩液流電池的特性，可得電池一階阻容模型電路參數(shù)，取CP=3605.13F，RP=0.4Ω，E=20V，L= 1mH，Rs=0.075Ω，H(s)=1，Vm=1，VH=80V。

加入控制器Gc(s)，根據(jù)被控對象的結(jié)構(gòu)框圖，可以得到

3.2 控制器參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)很好設(shè)計，可以選取典型二階系統(tǒng)作為參考模型［13］。控制器尋優(yōu)設(shè)計的方法是，選擇合適的目標函數(shù)，在尋優(yōu)參數(shù)和約束條件下，使得目標函數(shù)的值最小。

加入PID校正，畫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖，如圖8所示。由圖8可以看出，加電流控制器補償后，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差很小，快速性也好，可以很好地滿足系統(tǒng)的要求。

4 仿真及實驗

4.1 仿真驗證

在Simulink下搭建相應(yīng)的仿真電路，利用2kW全釩液流電池的電路模型［4-6］，前級用單相高頻整流，控制直流母線電壓為80V時，開關(guān)頻率取為10kHz，利用電流環(huán)反饋PID的控制方法，可以得到恒流50A充電時系統(tǒng)的仿真波形。圖9為蓄電池充電電流及電感電流IL，圖10為電池堆棧Vstack、電池端電壓Vbattery隨SOC值的變化曲線及電池端電壓Vbattery隨時間的變化曲線，圖11為電池的功率變化曲線及效率變化曲線。

圖8 閉環(huán)系統(tǒng)的波特圖Fig．8Bode of closed-loop system

仿真中，電池的SOC值最小設(shè)置在0.025，最大設(shè)置到0.975。電流仿真的結(jié)果顯示，電流的紋波不大，超調(diào)小，能夠很好地滿足系統(tǒng)要求。

圖9 電池充電電流的特性曲線Fig．9Curve of battery charging current

圖10 電池電壓Vstack、Vbattery的變化曲線Fig．10Curves of Vstack、Vbatteryunder charging

圖11 電池功率Pstack、Pbattery的變化曲線Fig．11Curves of Pstack、Pbatteryunder charging

4.2 實驗驗證

基于2kW的全釩液流電池反應(yīng)堆，由26個電池單體組成，搭建一個2kW充放電電路實驗樣機，通過設(shè)計的蓄電池充電器，給2kW的全釩液流電池充電，電池的電壓為35V時，開關(guān)管S2驅(qū)動的波形、直流母線側(cè)電壓的波形及充電電流的波形如圖12所示。由圖12可看出，設(shè)計的蓄電池充電器輸出電流的紋波不大，能夠很好地滿足系統(tǒng)的要求。

圖12 電池充電恒流波形Fig．12Battery charging waveform under constant current

圖13為恒流50A充電下，電池電壓的擬合曲線，顯然這和仿真的結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

設(shè)計了一種新的蓄電池充電器的拓撲，這種新的拓撲結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，能用在大容量的蓄電池儲能系統(tǒng)中。利用電池一階阻容模型，對全釩液流電池的充電電路進行建模分析，設(shè)計了恒流充電的控制器，仿真和實驗結(jié)果表明了蓄電池充電器設(shè)計和建模控制策略的正確性。

圖13 恒流充電下電池電壓的變化曲線Fig．13Curve of Vbatteryunder constant charging current

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Digital controller designing and optimization based on new battery charger

LEI Jia-zhi1，2，WANG Ke1，CHENG Yan3，LI Xun1，SUN Bo2
(1．College of Electrical and Electronic Engineering of Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China;2．BIG POWER，Wuhan 430074，China;3．College of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

Based on the energy storing system，this paper designed a new topology of a battery charger and introduced the advantages of this topology．Based on the characteristics of the vanadium redox flow battery and the first order RC model of the vanadium redox flow battery，this paper used small-signal model and the state space avera-ging method to establish the battery system structure under constant current charging．A modeling method based on VRB first order RC model of the DC-DC bi-directional converter was proposed．And then the parameter optimization method of digital control system was used to design the controller of the DC-DC bi-directional converter．Finally，based on VRB charging control strategy and VRB simulation model，simulation circuit was built in MATLAB and 2kW VRB charging experimental prototype was designed．Simulation and experiment results verified the correctness of the design．

battery charging circuit;first order RC model;parameter optimization

TM 911.3

A

1003-3076(2014)11-0029-06

2013-01-22

中國博士后科學(xué)基金項目(50777025)

雷加智(1988-)，男，湖北籍，碩士研究生，研究方向為微電網(wǎng)中的儲能技術(shù);成燕(1972-)，女，湖北籍，博士后，研究方向為新能源系統(tǒng)中的電力電子技術(shù)。