任曉霞，夏繼宏，林歆悠，楊文耀

（1. 重慶文理學院 電子電氣工程學院 重慶市高校新型儲能器件及應用工程研究中心，重慶 402160；2. 福州大學 機械工程及其自動化學院，福建 福州 350000）

研究與試制

基于三端口變換器的混合式電源控制策略研究

任曉霞1，夏繼宏1，林歆悠2，楊文耀1

（1. 重慶文理學院 電子電氣工程學院 重慶市高校新型儲能器件及應用工程研究中心，重慶 402160；2. 福州大學 機械工程及其自動化學院，福建 福州 350000）

結合了超級電容器和蓄電池的混合式電源，能充分發(fā)揮超級電容器功率密度大和蓄電池的能量密度大的優(yōu)點，大幅度提高電源性能，滿足電動汽車、光伏等具有脈動性負載的要求。對混合式電源中將超級電容器和蓄電池連接起來的功率變換器進行了研究，用帶有雙向三端口DC-DC變換器替代了常用的單端口雙向DC-DC變換器，并提出了一種適用于雙向三端口DC-DC變換器能兼顧電池電性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性的控制策略。在MATLAB仿真環(huán)境下，建立了系統(tǒng)仿真模型，對其充放電情況進行仿真，驗證了變換器結構和控制策略的有效性。

混合式電源；蓄電池；超級電容器；三端口功率變換器；脈動性負載；控制策略

隨著電動汽車、光伏、風電等新能源技術的發(fā)展，能夠完成大量能量儲備并能滿足負載快速脈動變化的儲能系統(tǒng)日益成為研究的熱點[1-2]。目前，單種儲能元件很難達到這個要求，蓄電池-超級電容器混合式電源，由于可通過超級電容器功率密度大的特點承擔系統(tǒng)脈動，通過蓄電池能量密度大的特點滿足系統(tǒng)大量儲能要求而受到國內外學者普遍關注。

目前針對蓄電池-超級電容器混合式電源的研究很多，主要集中在對其功率變換器及控制策略方面的研究。用于蓄電池-超級電容器的功率變換器主要分為單端口和多端口。單端口的功率變換器的研究熱點是雙向DC-DC變換器。如文獻[3-5]所述，單端口 DC-DC變換器通常采用電力電子直流斬波電路，通過控制器切換斬波電路中電力電子器件的通斷實現(xiàn)蓄電池-超級電容器之間以及與輸出總線之間的能量流動，其在應用時多采用蓄電池或者超級電容器中的某個儲能器件與負載總線直接相連的方式，這就要求與總線直接相連的蓄電池和超級電容器的電壓等級必須與總線相同。多端口功率變換器分為隔離型和非隔離型。非隔離型多端口功率變換器與單端口相似，通常采用電力電子的 BUCK、BOOST以及BUCK-BOOST電路，但其一般不用于高升壓裝置[6-8]。而隔離型多端口功率變換器由于含有變壓器，因此可用于高升壓裝置，但其常用的拓撲結構是半橋和全橋結構[9-11]，器件較多，控制復雜，系統(tǒng)的成本較高。

在控制策略研究方面，目前主要集中于傳統(tǒng)的線性控制策略和現(xiàn)代的模糊控制策略。文獻[12]中結合BP神經網絡對采用單端口DC-DC變換的混合式電源制定了控制策略，研究結果表明當算法收斂性較好時，其控制效果很好，但是BP神經網絡本身的收斂性不好，容易陷入局部極小值的問題。結合其他的文獻，總體而言，模糊控制策略在某種程度上，或多或少存在由于專家?guī)臁⑹諗啃缘纫鸬母鞣N問題。相對而言，傳統(tǒng)線性控制策略比較成熟。本文在原有的多端口非隔離型 BUCK-BOOST變換電路優(yōu)化的基礎上，采用傳統(tǒng)的線性PID算法設計三端口功率變換器的雙閉環(huán)控制策略，并通過MATLAB軟件對其進行仿真驗證。

1 三端口雙向DC-DC功率變換器概述

功率變換器是蓄電池-超級電容器混合式電源中連接兩個儲能器件的橋梁，其作用至關重要。目前常用的混合式電源 DC-DC變換器與儲能器件的結構關系如圖1所示。其中圖1（a）和（b）是采用單端口的 DC-DC變換器與超級電容器或蓄電池相連，圖1（c）是采用兩個單端口DC-DC分別對超級電容器和蓄電池進行控制。雖然圖1（c）的連接方式會讓系統(tǒng)的運行更加靈活，但是由于采用兩個獨立的單端口 DC-DC變換器會使系統(tǒng)的結構和控制變得極為復雜，同時也增加了成本。本文擬采用圖1（d）所示的三端口DC-DC變換器結構來實現(xiàn)儲能器件的連接，其具體拓撲結構圖如圖2所示。相對于獨立的單端口DC-DC變換器，該變換器在實現(xiàn)兩個獨立變換器共同作用效果的同時，通過共用電力電子開關及電感讓電路變得更加簡潔緊湊，且簡化了系統(tǒng)的控制。

圖1 混合式電源系統(tǒng)結構Fig.1 Construction of hybrid power system

圖2所示的三端口BUCK-BOOST變換器電路，圖中S1、VD1、S3、VD3構成雙向功率變換器，超級電容器既可以向負載升壓供電，也可以通過功率變換器接受蓄電池對其降壓充電以及吸收負載回饋的能量。蓄電池通過與超級電容器共用電感L2和開關管S3，可實現(xiàn)對超級電容器的充電以及對負載的升壓供電。

2 混合式電源控制策略

混合式電源的控制目標是實現(xiàn)負載兩端母線電壓恒定，由超級電容器承擔脈動負載的瞬時功率；蓄電池采用恒流輸出方式，蓄電池輸出電流的大小是負載電流的平均值。其采用的控制策略總體系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖2 三端口DC-DC變換器拓撲結構Fig.2 Topology of three-port DC-DC converter

圖3 混合式電源系統(tǒng)控制原理框圖Fig.3 Control principle diagram of hybrid power system

本設計總體控制策略是通過采集總線電壓、超級電容器以及蓄電池的端電壓、電流，通過PID控制算法，采用電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制算法。具體的實現(xiàn)如圖3所示，主要通過三個控制器實現(xiàn)。其中，蓄電池放電控制主要通過采用控制器1采集系統(tǒng)總線電壓 Vbus與給定的總線電壓值進行比較，控制雙向變換器工作于穩(wěn)壓模式，實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定。蓄電池的放電電流控制，主要通過控制器3采集蓄電池端壓和放電電流，通過負載功率分量檢測環(huán)節(jié)得到低頻功率信號，得出蓄電池放電電流參考值，通過與蓄電池電流值作比較，調節(jié)PWM脈沖寬度，實現(xiàn)根據(jù)負載電流大小的變化調節(jié)蓄電池放電電流的大小的目標；同時監(jiān)測蓄電池的端電壓，當蓄電池過放時，蓄電池已經不能再維持母線電壓穩(wěn)定，應斷開負載，對蓄電池進行充電。對超級電容器的控制，主要通過控制器2實現(xiàn)，采集超級電容器的充放電電流，根據(jù)負載功率高頻分量檢測環(huán)節(jié)的高頻功率信號，得出超級電容器充放電電流參考值，通過與超級電容器電流值作比較，實現(xiàn) PWM脈沖寬度調節(jié)，提供或吸收突變功率的高頻部分，給蓄電池提供緩沖。其具體控制策略框圖如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)控制器1的控制框圖Fig.4 Block diagram of the controller 1

圖5 控制器2和3的控制框圖Fig.5 Block diagram of the controller 2 and 3

3 仿真實驗分析

為了驗證該控制策略在基于三端口 DC-DC變換器的混合式儲能電源上的正確性和可行性，本文使用MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)的仿真模型，如圖6，圖7，圖8和圖9所示。其中圖6是系統(tǒng)的主電路圖，storage模塊是混合式儲能模塊，其具體的內部封裝電路如圖7所示。圖6和圖7中所示，為了模擬負載的變化對系統(tǒng)充放電的影響，采用“受控電壓源”模塊進行動態(tài)設置，而超級電容器為等效電路模型。圖8為部分控制系統(tǒng)MATLAB仿真模型。

圖6 MATLAB仿真主電路圖Fig.6 Main circuit of the MATLAB simulation

圖7 MATLAB仿真儲能單元電路圖Fig.7 Storage block circuit of MATLAB simulation

圖8 MATLAB仿真電路控制器部分環(huán)節(jié)Fig.8 Part of the controller of MATLAB simulation circuit

為了驗證該控制策略在三端口 DC-DC變換器中的可行性，本文設定母線電壓直流電壓參考值為48 V，負載電阻為7.68 Ω，負載功率300 W，蓄電池參數(shù)為16 V，60 Ah，超級電容器參數(shù)為1 F，初始電壓為30 V。受控電壓源初始值為0，t=0.5 s時突變?yōu)楱C20 V，t=1 s時突變?yōu)?0 V。其仿真結果如圖9、圖10、圖11、圖12和圖13所示。

從圖9的仿真結果可以看出，當負載發(fā)生變化時，直流母線電壓 Vbus即使有短暫的波動，但很快就恢復到 48 V。在負載功率突然增加時，如圖 10和圖11中0.5 s處所示，超級電容器迅速響應放電，由超級電容器承擔負載的突變，而蓄電池則平滑緩慢地調節(jié)到負載要求的功率。當負載功率降低時，如圖10和圖11的1 s時刻所示，超級電容器的功率值為負值，說明此時超級電容器可實現(xiàn)充電恢復。由圖12和圖13可看出，該混合式儲能系統(tǒng)，當負載發(fā)生變化時，超級電容器的電流首先迅速上升，而蓄電池放電電流緩慢變化，基本在各個階段以恒流方式輸出。仿真驗證了該控制策略能有效實現(xiàn)對基于三端口DC-DC混合式電源的控制。

圖9 負載變化時混合式儲能電源直流母線的電壓波形Fig.9 Voltage of hybrid power’s DC bus when the load changes

圖10 負載功率的變化波形Fig.10 The power changes of load

圖11 負載功率(a)、超級電容(b)和蓄電池(c)的功率變化曲線Fig.11 The power changes of load (a), supercapacitor (b) and storage battery (c)

圖12 超級電容的電流Isc曲線Fig.12 Current Iscof the supercapacitor

圖13 蓄電池的電流Ibat變化曲線Fig.13 Current Ibatof the storage battery

4 結論

針對超級電容器-蓄電池混合式電源的 DC-DC變換器進行優(yōu)化，將一種三端口的DC-DC功率變換器用于混合式電源儲能器件的連接。設計了一種基于該三端口DC-DC功率變換器的控制策略，通過控制蓄電池穩(wěn)定母線電壓，通過提供超級電容器負載突變功率的高頻分量，使蓄電池基本工作在恒流工作狀態(tài)。最后采用MATLAB仿真證明了該控制策略的正確性。

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（編輯：曾革）

Control strategy of hybrid power supply based on three-port converter

REN Xiaoxia1, XIA Jihong1, LIN Xinyou2, YANG Wenyao1
(1. Electronic Engineering Research Center of New Energy Storage Devices and Applications, College of Electronic and Electrical Engineering, Chongqing University of Arts and Sciences, Chongqing 402160, China; 2. School of Mechanical Engineering & Automation, Fuzhou University, Fuzhou 350000, China)

The hybrid power supply combining supercapacitors with storage batteries can make full use of the advantages that supercapacitors have high power density and storage batteries have high energy density, which can greatly improve the power characteristic and satisfy pulse loads such as electric vehicles and photovoltaic etc. This paper studies converters of hybrid power supply, which combines storage batteries and supercapacitors. A bidirectional three-port DC-DC converter was used to replace a common signal-port DC-DC converter and a control strategy of bidirectional three-port DC-DC converters was proposed to give consideration to both battery behavior and system stability. The simulation model was built in MATLAB. The simulation results prove that the topology of the converter and the control strategy are efficient by charge-discharge performance.

hybrid power supply; storage battery; supercapacitor; three-port DC-DC converter; control strategy; pulsating load

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.09.008

TM615

A

1001-2028（2017）09-0033-05

2017-06-06

楊文耀

國家自然科學基金資助項目（No. 51505086）；重慶市教育委員會科學技術研究項目(No. KJ1601118，KJ1601111，KJ1601122)

楊文耀（1982－），男，四川隆昌人，博士后，研究方向主要為超級電容器及儲能技術研究，E-mail: yang0220@163.com ；任曉霞（1983－），女，山東煙臺人，講師，主要從事超級電容器器件及儲能系統(tǒng)研究，E-mail:renxiaoxia7128@163.com。

時間：2017-08-28 11:08

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170828.1108.007.html