李春祥,李壯舉,王　佳,田　樂

(北京建筑大學(xué)電信學(xué)院,北京 10044)

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基于互補(bǔ)PWM控制的雙功率變換在混合儲能控制中的研究*

李春祥,李壯舉*,王佳,田樂

(北京建筑大學(xué)電信學(xué)院,北京 10044)

摘要:暫態(tài)過程中出現(xiàn)的電壓跌路和負(fù)荷沖擊會導(dǎo)致母線電壓不穩(wěn)定,從而對微電網(wǎng)運(yùn)行造成影響。為削弱這一影響,提出基于功率前饋和雙閉環(huán)控制策略的雙功率變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)結(jié)合超級電容和蓄電池進(jìn)行儲能,引入Buck/Boost雙功率變換回路,對功率半導(dǎo)體器件采用雙PWM控制,實(shí)現(xiàn)能量雙向流動;建立了狀態(tài)方程模型并對其進(jìn)行仿真;結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)及控制策略能有效抑制暫態(tài)過程中直流母線的電壓波動,超調(diào)量幾乎為零,母線電壓在400 V處維持恒定。

關(guān)鍵詞:微電網(wǎng);混合儲能;雙PWM控制;Buck/Boost雙功率變換電路;功率前饋控制

利用超級電容等快速儲能技術(shù)非常適用于微型電網(wǎng)運(yùn)行過程中的瞬時功率平衡控制[1-2],所以超級電容結(jié)合蓄電池構(gòu)成混合儲能模型,對微型電網(wǎng)中出現(xiàn)的瞬時功率不平衡問題有較好的研究價值。PWM逆變器的直流母線是儲能與微型電網(wǎng)能量交換的通道,當(dāng)微型電網(wǎng)功率波動引起流經(jīng)PWM逆變器的功率發(fā)生變換時,必然引起直流母線電壓的變化。若控制不當(dāng),母線電壓釋放能量引起電壓迅速降低,導(dǎo)致PWM逆變器無法正常工作。因此,抑制母線電壓的波動是解決儲能控制問題的一個突破口。在背靠背變流系統(tǒng)中,為了抑制直流母線電壓波動,可以增大母線電容,但會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)變慢。文獻(xiàn)[3]提出優(yōu)化前饋控制策略,但未基于雙向Buck/Boost雙向變換器建立模型;文獻(xiàn)[4]雖然提出基于雙向Buck/Boost變換器的直接控制策略,對母線電壓波動有一定的抑制能力,但只采用單功率變換的電路;文獻(xiàn)[5]雖然把混合儲能模型用于微電網(wǎng)平滑切換控制,但對直流母線電壓波動問題未具體涉及。

本文將Buck/Boost雙向變換器應(yīng)用于混合儲能系統(tǒng),進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計,通過仿真驗(yàn)證了所提出結(jié)構(gòu)及控制策略的有效性。

1　儲能模型

1.1傳統(tǒng)儲能結(jié)構(gòu)模型

傳統(tǒng)的儲能等效電路如圖1所示,它由蓄電池、Buck/Boost雙向變換器、三相PWM逆變器及并網(wǎng)阻抗組成,僅利用蓄電池作為儲能,由于蓄電池功率密度低,不能迅速放出能量[6-7],不能很好地解決電壓波動等帶來的瞬時功率不平衡問題,而且電路儲能單元單一,儲能能力有限。

圖1　傳統(tǒng)儲能等效電路圖

圖3　雙PWM控制驅(qū)動信號工作示意圖

1.2基于雙PWM控制的雙功率變換的混和儲能電路結(jié)構(gòu)

為了克服傳統(tǒng)儲能結(jié)構(gòu)模型不能迅速放電以及超級電容能量相對較小,充放電能力有限的缺點(diǎn),把超級電容和蓄電池模型都經(jīng)過功率變換電路與微電網(wǎng)側(cè)相連構(gòu)成雙功率變換混和儲能電路模型,模型具備大功率輸出和大容量儲能的能力如圖2所示。選用雙PWM[8-9]控制,讓2個功率半導(dǎo)體器件同時工作,在不同的時段給予器件互補(bǔ)的驅(qū)動信號,讓超級電容構(gòu)成的雙向變換器和蓄電池構(gòu)成的變換器在不同時刻工作,均可以獲得雙向狀態(tài)切換,而且相對于獨(dú)立的PWM技術(shù),不需要狀態(tài)邏輯單元就可以獲得雙向切換,系統(tǒng)響應(yīng)更快,互補(bǔ)PWM控制驅(qū)動信號工作原理如圖3所示。

圖2　混和儲能等效電路圖

2　雙PWM控制的雙向變換器的建模

如圖2所示,雙向功率變換器建模過程與單一變換器建模過程類似,以雙向變換器1為例建立數(shù)學(xué)模型,設(shè)iload=i2-i1,S1/d1導(dǎo)通的時間為d,電感電流iL1和理想電容電壓uc為狀態(tài)變量,利用狀態(tài)空間平均法,建立狀態(tài)方程:

(1)

則在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)(uC0,iL10,iL20,iload0,d0,us0)處,有:

(2)

在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)處對系統(tǒng)添加擾動:

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

d=d0+Δd,usc=usc0+ΔuSC

忽略二階分量,線性化可得模型:

(3)

取電感電流iL1,輸出電流i0與電容電壓uc為輸出量,則系統(tǒng)的輸出方程:

(4)

由式(3)、式(4),線性化化后可得:

(5)

圖4　Buck/Boost雙向變換器數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)框圖

由式(3)、式(5)建立Buck/Boost雙向變換器數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)框圖,如圖4所示。

3　基于雙PWM控制的Buck/Boost雙向變換器控制策略

由于Buck/Boost[10]雙向變換器的控制系統(tǒng)模型傳遞函數(shù)存在正極點(diǎn),開環(huán)不穩(wěn)定[11],為了保證混合儲能系統(tǒng)在暫態(tài)情況下能保持穩(wěn)定,即具有較好的靜動態(tài)性能,考慮穩(wěn)定直流母線電壓的控制目標(biāo),采用電容電壓和電感電流狀態(tài)雙閉環(huán)[12]控制,系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

圖5　雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

不考慮系統(tǒng)及控制延時,對電容外環(huán)采取恒壓控制,由圖4和圖5可建立電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)傳遞函數(shù)。

ΔiL1=

(6)

(7)

從式(6)、式(7)可以看出,引起母線電壓Δuc波動的因素主要是Δiload和Δusc。為了降低母線電壓波動,一是可以增大母線電容C,但是增大母線電容會帶來系統(tǒng)體積增大,延緩系統(tǒng)響應(yīng)速度;二是通過加強(qiáng)調(diào)節(jié)器GVR(s)的作用,但是如果在載荷波動較大的情況下,短時間內(nèi)仍然會造成母線電壓波動。為了消除Δiload和Δusc對母線電壓Δuc造成的影響,更有效的抑制直流電壓的波動問題,采用功率前饋的方法,建立Buck/Boost雙功率變換器的功率前饋+雙閉環(huán)控制策略模型。

如圖6所示,建立電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)

Δuc=

(8)

忽略超級電容內(nèi)阻rsc,則取Kf=1/K,就可以完全消除Δiload和Δusc的影響,即直流母線電壓uc理論上不再受載荷電流和電源電壓的變化的影響,暫態(tài)下保持穩(wěn)定。

圖6　BUCK/BOOST雙功率變換器的功率前饋+雙閉環(huán)

4　仿真及結(jié)果分析

首先為了驗(yàn)證引入超級電容混合儲能的有效性,采用MATLAB/Simlink軟件建立模型并進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)如下:超級電容200V,10F,0.1Ω;直流母線電壓600V;直流側(cè)電感0.8MH,0.2Ω;直流母線電容3.3MF;開關(guān)頻率10kHz。t=0時刻,給系統(tǒng)一個階躍干擾,比較傳統(tǒng)的蓄電器模型混和儲能模型直流母線電壓變化情況,仿真波形如圖7、圖8所示。

圖7　基于蓄電器模型的母線電壓波動圖

圖8　基于改進(jìn)的混合儲能模型母線電壓波動圖

圖9　采用雙功率變換混和儲能主電路結(jié)構(gòu)圖

由圖7、圖8對比可知,給予系統(tǒng)一個相同的階躍擾動,蓄電池模型超調(diào)量較大,波動明顯,而混和儲能模型超調(diào)量降為25%,而且能更快維持直流電壓母線電壓的穩(wěn)定在400 V,表明采用混和儲能結(jié)構(gòu)后的系統(tǒng)暫態(tài)性能得到改善。

為了更好的改善系統(tǒng)暫態(tài)性能,在上面仿真的基礎(chǔ)上,采用雙功率變換混和儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),選用雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,主電路結(jié)構(gòu)如圖9所示,在同樣的環(huán)境下進(jìn)行仿真,仿真參數(shù)如下:超級電容200 V,20 F,0.12 Ω;直流母線電壓600 V;直流側(cè)電感0.8 MH,0.2 Ω;直流母線電容3.3 MF,2 kΩ;開關(guān)頻率10 kHz。Buck/Boost雙向變換器正常工作,其占空比d0=0.4。仿真波形如圖10所示。

由圖10可知系統(tǒng)在受到階躍擾動后,逆變側(cè)三相電壓、電流迅速恢復(fù)并保持相位一致,從而電網(wǎng)側(cè)系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖10　逆變側(cè)交流電壓和電流波形圖

由圖11可知系統(tǒng)在同樣時刻受到相同擾動后,直流母線電壓瞬間恢復(fù),超調(diào)量為0.017%,而后在400 V處維持恒定。對比圖7和圖8可知,采用雙功率變換混和儲能改進(jìn)后的系統(tǒng)暫態(tài)性能明顯提高。

圖11　采用雙功率變換混和儲能后暫態(tài)特性圖

5　結(jié)論

電壓跌路或波動等導(dǎo)致電壓波動會反映在直流母線電壓上,從而影響儲能穩(wěn)定調(diào)節(jié)的發(fā)揮,如果不對這些干擾因素進(jìn)行處理,微電網(wǎng)將無法穩(wěn)定。本文采用基于雙功率變換混和儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,針對電壓波動帶來的不穩(wěn)定問題進(jìn)行處理和優(yōu)化。仿真結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)及控制策略能很好地處理電壓突變帶來的波動問題,對微網(wǎng)暫態(tài)功率不平衡問題的解決具有重要意義。同時論文具有如下創(chuàng)新:

(1)在蓄電池儲能基礎(chǔ)上,提出超級電容與蓄電池混合儲能雙功率結(jié)構(gòu),解決電壓波動帶來的功率不平衡問題;

(2)基于互補(bǔ)PWM控制的雙功率變換混和儲能電路,采用電壓電流雙閉環(huán)和功率前饋控制策略,較好地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的暫態(tài)平衡,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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李春祥(1987-),男,漢族,河南汝南人,北京建筑大學(xué)在讀碩士研究生,研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)混合儲能穩(wěn)定控制,lchunxiang@126.com;

李壯舉(1975-),男,河南南陽人,北京建筑大學(xué)講師,北京西城,研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)混合儲能穩(wěn)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

中圖分類號:TM910

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)05-0973-05

收稿日期:2013-09-15修改日期:2013-12-01

項(xiàng)目來源:校級科研基金項(xiàng)目(00331611016);北京市教育委員會科技計劃面上項(xiàng)目(KM201310016002)