包啟涵，黃曉剛

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一種用于波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置研究與設(shè)計(jì)

包啟涵1，黃曉剛2

(1.上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海201306; 2.衢州學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，浙江衢州324000)

研究一種用于波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，通過利用雙向DC/DC變換器將直流母線與超級(jí)電容連接起來,致力于解決波浪補(bǔ)償后回饋電能的利用問題。選擇三相半橋型的非隔離型雙向DC/DC變換器作為傳輸電路，以直流母線電壓的變化為參考，通過設(shè)計(jì)了雙向DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制策略，來達(dá)到母線電壓穩(wěn)定的目的。當(dāng)直流母線電壓升高，控制超級(jí)電容充電，當(dāng)直流母線電壓降低，控制超級(jí)電容放電。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出的基于DSP的雙向DC/DC變換器的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置控制策略的有效性。

儲(chǔ)能系統(tǒng) 超級(jí)電容 波浪補(bǔ)償 雙向DC/DC變換器 能量管理

0 引言

在海洋環(huán)境中，由于海風(fēng)、海浪和船舶自身運(yùn)動(dòng)等因素影響著海上補(bǔ)給作業(yè)，導(dǎo)致船舶一直無法安全有效的提供海上補(bǔ)給任務(wù)，因此產(chǎn)生了波浪補(bǔ)償功能的系統(tǒng)[1]。但是使用帶有波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的起重機(jī)進(jìn)行船舶補(bǔ)給的時(shí)候，當(dāng)?shù)蹉^下降時(shí)會(huì)帶動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生能量經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為直流電，使母線電壓升高；當(dāng)?shù)蹉^上升時(shí)需要電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)來帶動(dòng)，這樣就必須利用母線端電壓經(jīng)過逆變器變換成三相電為電機(jī)供電[2]。從而產(chǎn)生了波浪補(bǔ)償系統(tǒng)中，由于起重機(jī)在補(bǔ)償時(shí)經(jīng)常上升或下降，從而導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，造成能量的浪費(fèi)問題。本文為了解決這一問題，提出一種能量存儲(chǔ)裝置，使得系統(tǒng)能夠吸收負(fù)載制動(dòng)的回饋能量，一方面，可以防止回饋能量產(chǎn)生的不良后果，另一方面也可將回饋能量存儲(chǔ)起來，當(dāng)負(fù)載需要的能量大于母線電壓提供的能量時(shí)，儲(chǔ)能裝置釋放能量為負(fù)載供電。儲(chǔ)能裝置的存在，不僅可以利用有限的功率供給，增加能源的有效利用率，還可以使帶有波浪補(bǔ)償?shù)钠鹬貦C(jī)補(bǔ)給系統(tǒng)工作在平穩(wěn)的工況下，極大地增加了系統(tǒng)的能量負(fù)荷能力以及使系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 波浪補(bǔ)償系統(tǒng)超級(jí)電容儲(chǔ)能原理圖

在儲(chǔ)能裝置中，雙向變換器承擔(dān)著能量雙向傳輸?shù)娜蝿?wù)，因此在整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中占有重要的地位。和單向變換器一樣，雙向變換器可以分為兩類：隔離型和非隔離型?？偟膩砜?，傳統(tǒng)隔離型雙向變換器的電路拓?fù)涠伎梢哉J(rèn)為是橋式電路、推挽電路的不同組合或他們的變形電路的不同組合。文獻(xiàn)[3]提出橋式拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是環(huán)流能量較大，且由于主要使用變壓器傳遞能量，從而降低了變換器效率，增加了功率變換器的設(shè)計(jì)成本。推挽拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是由于易發(fā)生磁通不平衡，對變壓器的設(shè)計(jì)和制造工藝都有較高要求，其應(yīng)用在一定程度上受到限制。由于目前超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置中的雙向變換器一般沒有隔離，絕緣的要求，所以非隔離型的雙向變換器常常是超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的首選。

在文獻(xiàn)[4]中詳細(xì)分析了作為能量源或功率源的非隔離型雙向DC/DC變換器中有源器件及無源器件的電應(yīng)力，如功率器件承受的最大電壓、最大電流的數(shù)量等級(jí)、濾波功率電容、儲(chǔ)能功率電感的紋波等。超級(jí)電容器端電壓變化范圍寬，在功率緩沖及負(fù)載平衡等應(yīng)用中，功率開關(guān)器件的電應(yīng)力是電壓增益的函數(shù)，因此通過對比分析，對于功率，輸出電壓確定的雙向變換器而言半橋型雙向DC/DC變換器開關(guān)器件的電流有效值通常低于Cuk,Sepic型變換器，有助于提高系統(tǒng)的綜合效率，降低系統(tǒng)對冷卻條件的要求。本文使用的三相交錯(cuò)并聯(lián)雙向變換器就是一種半橋型變換器，由三組半橋型變換器并聯(lián)組成，該拓?fù)淅^承了半橋型變換器原有的結(jié)構(gòu)緊湊、高效的特點(diǎn)，三相并聯(lián)結(jié)構(gòu)減小了電感電流紋波，提高了超級(jí)電容的使用壽命。為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，使用DSP數(shù)字控制，可以高效的實(shí)行復(fù)雜的控制算法，同時(shí)抗干擾性佳，大大提高了變換器的綜合性能。

本文研究基于以TMS320F28335為數(shù)字控制器，三相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器為電路拓?fù)涞挠布脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)以母線電壓為基準(zhǔn)，對超級(jí)電容充電、放電和切換實(shí)驗(yàn)。介紹了用于波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的基本原理，分別對充電模式和放電模式進(jìn)行了雙閉環(huán)控制策略的研究。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)的有效性。

1 雙向DC/DC變換器分析

1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器

1.2 雙向DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型

為了設(shè)計(jì)雙向DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，使其達(dá)到所需的控制性能需要建立數(shù)學(xué)模型。多相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器可以等效成單相雙向DC/DC變換器[6]，等效電路圖如圖3所示，其中電感,等效的單相變換器電感等于三相變換器的單相電感除以相數(shù)。

等效單相變換器平均開關(guān)模型如圖4所示圖中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由受控電壓源和受控電流源替換，和分別為Buck模式和Boost模式的占空比。

圖3 三相交錯(cuò)并聯(lián)電路的等效模型

圖4 平均開關(guān)模型

2 控制策略研究

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的目的是為了解決帶有波浪補(bǔ)償系統(tǒng)的起重機(jī)的升降而引起的能量浪費(fèi)問題。為了控制母線電壓的穩(wěn)定，若母線電壓升高則將升高的部分通過DC/DC變換器儲(chǔ)存到超級(jí)電容上，為超級(jí)電容充電；若母線電壓下降時(shí)，則超級(jí)電容為母線放電，來維持電機(jī)的供電[12,13]。

2.1 控制要求

基于上述考慮，本系統(tǒng)有兩種工作模式：

1)充電模式：起重機(jī)上的吊鉤下降，母線電壓升高，且超級(jí)電容兩端電壓值低于超級(jí)電容的最大電壓值，則為超級(jí)電容進(jìn)行充電。

2)放電模式：起重機(jī)上的吊鉤上升，母線電壓降低，且超級(jí)電容兩端電壓值高于超級(jí)電容的最低電壓值，則對超級(jí)電容進(jìn)行放電。

2.2 充電模式下系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置充電模式下的控制框圖如圖5所示，此時(shí)開關(guān)管S1、S3、S5工作于PWM狀態(tài)，開關(guān)管S2、S4、S6工作于二極管狀態(tài)，雙向變換器等效為一個(gè)Buck電路。為了實(shí)現(xiàn)對超級(jí)電容充電電流控制，充電時(shí)采用電感電流內(nèi)環(huán)和超級(jí)電容電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制，雙環(huán)都采用PI控制器，為電流內(nèi)環(huán)控制器，為電壓外環(huán)控制器，為電感電流的采樣系數(shù)，為超級(jí)電容電壓的采樣系數(shù)，為PWM脈寬調(diào)制器的等效傳遞函數(shù)。從控制框圖可以看出：當(dāng)超級(jí)電容電壓較低時(shí)，電壓外環(huán)輸出值飽和，限幅后作為電感電流的給定，此時(shí)超級(jí)電容處于恒流充電狀態(tài)，當(dāng)超級(jí)電容電壓達(dá)到預(yù)定值，電壓外環(huán)起作用，此時(shí)處于恒壓充電狀態(tài)[11]。

圖5 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置充電控制框圖

2.3 放電模式下系統(tǒng)設(shè)計(jì)

超級(jí)電容工作在放電模式下，開關(guān)管S2、S4、S6工作于PWM狀態(tài)，開關(guān)管S1、S3、S5工作于二極管狀態(tài)，雙向變換器等效為一個(gè)Boost電路，此時(shí)超級(jí)電容給負(fù)載放電。為了保持負(fù)載端電壓的穩(wěn)定，需采用負(fù)載端電壓的閉環(huán)控制。但是若只是電壓單閉環(huán)控制，由于被控系統(tǒng)存在右半平面的零點(diǎn)，限制了系統(tǒng)的帶寬，進(jìn)而會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此本文采用電流內(nèi)環(huán)，電壓外環(huán)的控制方式，控制框圖如圖6所示，為電感電流的采樣系數(shù)，為負(fù)載端電壓的采樣系數(shù)，是電壓外環(huán)控制器，是電流環(huán)控制器，這里用一個(gè)電阻代替負(fù)載。電壓外環(huán)的作用是根據(jù)負(fù)載端的電壓偏差，計(jì)算并給出電流的給定值，用于維持負(fù)載端電壓的穩(wěn)定，電流環(huán)的作用是限制超級(jí)電容放電電流的大小，并提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

圖6 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置放電控制框圖

3 軟硬件設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證為設(shè)計(jì)儲(chǔ)能裝置而提出的控制策略的正確性，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖7所示。超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要分為控制部分和主電路部分，其中主電路部分為雙向DC/DC變換器、直流電源、超級(jí)電容和電阻組成，由于實(shí)驗(yàn)室的條件有限，不具備模擬波浪補(bǔ)償裝置的直流母線，故通過調(diào)節(jié)直流電源的輸出電壓來模擬變化的直流母線電壓，當(dāng)直流母線電壓低于預(yù)設(shè)電壓時(shí)，超級(jí)電容向直流母線端并聯(lián)的電阻放電以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)過程?？刂撇糠种饕蒁SP控制板，CPLD保護(hù)板和IGBT驅(qū)動(dòng)板組成。系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，為防止程序跑飛或器件受損導(dǎo)致的過電壓過電流等意外發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)模塊、IGBT功率模塊和控制電路等損壞。CPLD保護(hù)板內(nèi)部集成邏輯電路來檢測電壓和電流，當(dāng)其值大于設(shè)定保護(hù)值時(shí)，產(chǎn)生保護(hù)信號(hào)立刻切斷PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，對系統(tǒng)進(jìn)行有效額保護(hù)。實(shí)驗(yàn)中所使用IGBT開關(guān)管使英飛凌的FF200R12KS4模塊，起開通電壓一般為15 V，為了使IGBT關(guān)斷可靠截止，一般選擇關(guān)斷電壓不高于-8V。而經(jīng)過DSP控制器輸出的PWM波形的電壓0～3.3 V，所以DSP數(shù)字控制器不能直接驅(qū)動(dòng)IGBT。因此需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路之后，將驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入到IGBT開關(guān)管中。驅(qū)動(dòng)模塊主要由隔離變壓器、短路保護(hù)和供電電壓檢測保護(hù)等組成，能夠輸出兩路完整的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，且輸入與輸出具有電氣隔離功能。交錯(cuò)并聯(lián)的雙向DC/DC變換器有6個(gè)IGBT開關(guān)管，因此需要使用3組驅(qū)動(dòng)模塊。

圖7 超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框架

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)搭建了一個(gè)超級(jí)電容充放電硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，超級(jí)電容器選擇的是Maxwell公司生產(chǎn)的BOOSTCAP系列產(chǎn)品，其主要參數(shù)是56 V，160 F。雙向DC/DC變換器的參數(shù)是===1.2 mH,==2200 μF。在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定超級(jí)電容器的充電電流=5 A，放電電流=5 A,母線電壓=50 V，負(fù)載電阻=20 Ω。

圖8 電感電流紋波波形

圖8為三相交錯(cuò)并聯(lián)DC/DC變換器正常溫度工作時(shí)，各相電流與疊加后總電流的波形圖，可以看出三相交錯(cuò)并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過電流的疊加獲得較小的電流紋波。各相之間相位相差120°，占空比相同。

圖9 充電電流動(dòng)態(tài)波形

圖9是超級(jí)電容開始充電時(shí)的超級(jí)電容電流和超級(jí)電容兩端電壓的變化波形，超級(jí)電容的充電電流從最低電流到最大電流大約時(shí)間為40 ms左右。

圖10 放電電流動(dòng)態(tài)波形

圖10是超級(jí)電容開始放電時(shí)超級(jí)電容電流和超級(jí)電容兩端電壓的變化波形，超級(jí)電容的放電電流從涓流放電到最大放電電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大概為40 ms左右。圖11是超級(jí)電容由充電模式轉(zhuǎn)為放電模式時(shí)，超級(jí)電容電流和超級(jí)電容電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形。在起始階段，直流母線電壓超過50 V基準(zhǔn)電壓，超級(jí)電容處于充電模式，在某一時(shí)刻，直流母線電壓小于基準(zhǔn)電壓，超級(jí)電容將能量回饋給直流母線，超級(jí)電容處于放電模式，變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大概為80 ms左右。

圖11 充電模式切換放電模式動(dòng)態(tài)波形

5 結(jié)論

本文針對波浪補(bǔ)償系統(tǒng)中，由于起重機(jī)的升降導(dǎo)致直流母線電壓波動(dòng)的問題，提出了利用超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置來解決這一問題。本文以超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置作為主要的研究對象，展開研究和討論，得到以下的結(jié)論：

1)電感電流紋波的降低，三相交錯(cuò)并聯(lián)型雙向DC/DC變換器無論是工作在Boost模式還是Buck模式下，它的電感電流紋波都是三相電感電流紋波的疊加，通過紋波之間相互抵消的原理來減小電流紋波，減小了電感和電容的體積，提高了變換器的功率密度。

2)以控制母線電壓穩(wěn)定為前提，提出了針對超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的控制策略，分別在Boost和Buck模式下，對系統(tǒng)求出小信號(hào)模型，分別建立雙閉環(huán)的控制算法。其中Buck模式下，以超級(jí)電容的電壓為外環(huán)，電感電流為內(nèi)環(huán)。Boost模式下，以直流母線電壓為外環(huán)，電感電流為內(nèi)環(huán)，以限制電流的前提下穩(wěn)定電壓的控制。

3)開關(guān)器件電流應(yīng)力的降低，由于使用的是三相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率變換器，可以大幅地降低電流應(yīng)力，從而有利于減小開關(guān)損耗。

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Study and Design of Super Capacitor Energy Storage Device for Wave Compensation System

Bao Qihan1, Huang Xiaogang2

(1. Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. College of Electrical and Information Engineering, Quzhou University, Quzhou 324000, Zhejiang, China)

TM53

A

1003-4862（2017）07-0001-05

2017-04-15

浙江省教育廳項(xiàng)目（Y201534139），上海海事大學(xué)研究生創(chuàng)新能力（2015ycx073）

包啟涵(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子技術(shù)與裝置。