馮興田，陶媛媛，孫添添

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院，山東 青島 266580;2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司東營(yíng)供電公司，山東 東營(yíng) 257000)

0 引 言

多端口電源系統(tǒng)屬于復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)，通常包括分布式電源、DC/DC變換器、儲(chǔ)能單元、直流母線以及負(fù)載等。DC/DC變換器中，單向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)從源側(cè)向負(fù)載的能量傳遞；而雙向DC/DC變換器能夠根據(jù)控制需要，靈活地實(shí)現(xiàn)升降壓、能量雙向傳遞的功能，應(yīng)用廣泛[1-2]。

滿足輸出電壓匹配的同時(shí)，通過(guò)良好的控制，雙向DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電流均衡、輸出高穩(wěn)定性等功能，常見的分析方法包括狀態(tài)空間平均法、平均電流模式、環(huán)流控制模式和智能控制算法等[3-4]。文獻(xiàn)[5]提出一種新的移相均流控制策略，解決傳統(tǒng)兩相并聯(lián)DC/DC電路電感電流紋波較大、兩相間電流不均衡的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]利用狀態(tài)空間平均法建立了雙向DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型，并提出一種簡(jiǎn)單實(shí)用的基于變量代換和參數(shù)估計(jì)的復(fù)合校正電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制策略。DC/DC變換器在新能源和多端口系統(tǒng)中的應(yīng)用越來(lái)越多[7]。文獻(xiàn)[8]通過(guò)隔離的三端口雙向DC/DC變換器構(gòu)建了一個(gè)包含燃料電池和儲(chǔ)能單元的復(fù)合能量系統(tǒng)。

本文針對(duì)構(gòu)建的多端口電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各單元的結(jié)構(gòu)功能，分析了系統(tǒng)能量管理方案和儲(chǔ)能單元的配置策略。通過(guò)系統(tǒng)控制，在負(fù)載穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)波動(dòng)的情況下，維持負(fù)載的供電穩(wěn)定；建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多端口電源系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了有效性驗(yàn)證分析。

1 多端口電源系統(tǒng)原理與儲(chǔ)能配置

1.1 系統(tǒng)原理與能量管理

多端口電源系統(tǒng)主要包括燃料電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能和單向/雙向DC/DC變換器三個(gè)單元。燃料與氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)燃料電池的發(fā)電。這里用的燃料主要是氫氣，通常選擇以甲烷為主的天然氣，再通過(guò)燃料重整產(chǎn)生，但是燃料重整的這個(gè)化學(xué)過(guò)程比較緩慢，并且控制氣體流量的機(jī)械系統(tǒng)也存在一定的滯后問(wèn)題。所有這些，使得當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)要經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的暫態(tài)過(guò)程，才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，來(lái)滿足供需平衡。為解決燃料電池輸出特性偏軟、瞬態(tài)響應(yīng)慢的問(wèn)題，通常采用快速儲(chǔ)能單元輔助燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，以便適應(yīng)負(fù)載的變化以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，儲(chǔ)能單元一般采用超級(jí)電容器模組來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 多端口電源系統(tǒng)能量流向圖

多端口電源系統(tǒng)的能量流向圖如圖1所示。燃料電池及其單向DC/DC變換器單元主要負(fù)責(zé)向負(fù)載和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元提供能量；超級(jí)電容儲(chǔ)能及其雙向DC/DC變換器單元實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，即能量的存儲(chǔ)與釋放,負(fù)載穩(wěn)定時(shí)燃料電池部分穩(wěn)定輸出供給其所需能量；負(fù)載變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致能量的波動(dòng)，此時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的功率輸出，需要補(bǔ)償燃料電池單元無(wú)法跟上的功率快速變化，即其功率給定控制為輸出功率與燃料電池輸出功率之差。

1.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能單元容量配置

實(shí)際控制中，燃料電池的控制器通常設(shè)計(jì)為一階系統(tǒng)，而其響應(yīng)速度要比燃料電池慢。燃料電池內(nèi)部機(jī)械裝置的時(shí)間常數(shù)通常在幾十毫秒到幾百毫秒不等，假設(shè)所采用的燃料電池的輸出時(shí)間常數(shù)為τ1，選擇燃料電池DC/DC變換器等效指令輸出電流的傳遞函數(shù)G(s)的時(shí)間常數(shù)τ=3τ1，則該控制器的傳遞函數(shù)為:

(1)

假設(shè)在0時(shí)刻發(fā)生負(fù)載突增，如圖2所示。根據(jù)一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)函數(shù)的時(shí)域方程可以得到燃料電池的輸出能量為:

(2)

圖2 能量變化示意圖

輸出負(fù)載母線的能量階躍等于燃料電池的輸出能量和超級(jí)電容輸出能量之和，負(fù)載輸出母線突變與燃料電池輸出的能量之差即為超級(jí)電容需輸出的能量W，如圖2中的陰影部分所示。

鑒于一階階躍響應(yīng)在3倍時(shí)間常數(shù)τ的時(shí)刻，可以達(dá)到階躍值的95%以上，在下述計(jì)算中假定在3τ的時(shí)間周期內(nèi)，燃料電池的輸出功率可以與輸出負(fù)載母線的功率相同，則可得到超級(jí)電容器需要輸出的能量W為:

(3)

(1-e-3)≈0.95，可認(rèn)為在3τ的時(shí)間周期中，超級(jí)電容需要儲(chǔ)存的能量為實(shí)際階躍能量的0.95/3≈0.32倍。

假定燃料電池的DC/DC變換器的輸出響應(yīng)時(shí)間t，負(fù)載母線輸出電壓為U，輸出電流階躍為I，由以上分析可知，超級(jí)電容器需要儲(chǔ)存的交換能量為:

Wsc=0.32UIt

(4)

通常情況下，超級(jí)電容存儲(chǔ)的能量為最大能量的67%，而超級(jí)電容的吸收或釋放的能量大約為超級(jí)電容儲(chǔ)存能量的33%；另外，超級(jí)電容器單體耐壓較低，一般由多個(gè)超級(jí)電容器串并聯(lián)構(gòu)成模組使用。通過(guò)式(5)或式(6)計(jì)算所需超級(jí)電容器的數(shù)量或單體容量。

(5)

(6)

式中：C為單體超級(jí)電容器的容值;Usc為單體超級(jí)電容器的耐壓值;U1為超級(jí)電容器初始電壓;U2為超級(jí)電容器充放電后電壓;N為超級(jí)電容器的數(shù)量。

2 多端口電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

多端口電源變換器主電路拓?fù)淙鐖D3所示，主體結(jié)構(gòu)為兩組變流器單元并聯(lián)供電系統(tǒng)。圖3中:燃料電池輸出電壓ufu，輸出電流ifu，跟隨一個(gè)Boost升壓DC/DC斬波電路；儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容器串并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容器模組，輸出電壓usc，輸出電流isc，跟隨一個(gè)雙向DC/DC斬波電路；L1、L2為儲(chǔ)能電感；S1、S2、S3為全控型電力電子器件，實(shí)現(xiàn)回路的通斷控制；D1、D2、D3為續(xù)流二極管，對(duì)應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)提供相應(yīng)的電流通路；C為輸出濾波電容；RL為負(fù)載；uo為負(fù)載母線電壓;io為負(fù)載電流。

單向DC/DC單元將燃料電池的輸出傳遞給負(fù)載，此為主要能量來(lái)源，通過(guò)控制該變流器，實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的穩(wěn)定；雙向DC/DC單元?jiǎng)t實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元充放電控制，維持負(fù)載波動(dòng)時(shí)的電壓穩(wěn)定。兩部分配合控制，各司其職，及時(shí)滿足負(fù)載的能量需求。

圖3 多端口電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 控制策略

多端口電源系統(tǒng)具有兩個(gè)DC/DC變換器，可以獨(dú)立控制燃料電池和儲(chǔ)能單元的輸出功率。燃料電池作為整個(gè)多端口電源變換器的功率輸出源，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，燃料電池需要向負(fù)載母線提供穩(wěn)定的功率，即在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)其變換器將提供所有的負(fù)載母線輸出功率，同時(shí)還需要補(bǔ)償或釋放超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的虧損或多余功率(此部分需要超級(jí)電容及其DC/DC變換器控制的協(xié)同合作)。因此，燃料電池的DC/DC變換器控制必須快速將燃料電池當(dāng)前產(chǎn)生的能量釋放出去，同時(shí)需要在負(fù)載平穩(wěn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)母線輸出電壓的控制。理想狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)燃料電池的DC/DC變換器控制負(fù)載的電壓uo穩(wěn)定；負(fù)載突變時(shí)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元提供迅速的功率支撐，維持uo穩(wěn)定。圖4為多端口電源系統(tǒng)的DC/DC變換器控制策略框圖。

圖4 變換器控制策略框圖

圖4(a)為燃料電池單元的單向DC/DC變換器的控制策略框圖。該單元的控制主要為電壓電流雙閉環(huán)控制，其中uo為母線輸出電壓值，ifu為燃料電池的輸出電流值。雙閉環(huán)系統(tǒng)選擇母線輸出電壓作為外環(huán)電壓給定，與實(shí)際母線電壓作差后通過(guò)電壓調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)器1)作為燃料電池的電流內(nèi)環(huán)的給定，然后與燃料電池的實(shí)際電流比較后輸入至電流調(diào)節(jié)器(調(diào)節(jié)器2)，并將電流調(diào)節(jié)器輸出作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)燃料電池DC/DC控制器。

根據(jù)圖1所示三端口的功率平衡，限制母線輸出功率，通過(guò)超級(jí)電容儲(chǔ)能單元雙向DC/DC變換器控制負(fù)載母線電容的吸收或發(fā)出功率，則燃料電池DC/DC變換器會(huì)自主的實(shí)現(xiàn)功率的增大或減小，從而達(dá)到間接控制超級(jí)電容儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)的目的。例如，當(dāng)超級(jí)電容器電壓小于給定荷電電壓狀態(tài)時(shí)，雙向DC/DC變換器會(huì)從母線負(fù)載緩慢吸收能量，母線電壓將有下降趨勢(shì)，則燃料電池DC/DC變換器會(huì)提高輸出功率以抵消母線電壓的下降趨勢(shì)，從而使燃料電池，母線負(fù)載和超級(jí)電容器的三端功率出現(xiàn)新的平衡，直到超級(jí)電容器電壓達(dá)到給定荷電電壓時(shí)，雙向DC/DC變換器停止工作，燃料電池和輸出母線達(dá)到兩端功率平衡狀態(tài)。

3 仿真驗(yàn)證

在PSIM電力仿真軟件中搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多端口電源系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行仿真分析。仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中:ufu為燃料電池的輸出電壓；usc為超級(jí)電容器等效電容的初始電壓；輸出給定電壓設(shè)為DC100 V；fPWM為功率器件的開關(guān)頻率；Ts為采樣時(shí)間。

表1 多端口電源系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5為多端口電源系統(tǒng)的仿真波形，其中圖5(a)為從上電到穩(wěn)態(tài)的運(yùn)行過(guò)程，圖5(b)為穩(wěn)態(tài)過(guò)程中的局部放大波形。uo為負(fù)載電壓波形；usc為超級(jí)電容器電壓波形；io為負(fù)載電流，動(dòng)態(tài)變化；isc為超級(jí)電容器的電流；ifu為燃料電池輸出電流。從仿真波形可以看出，uo等于給定設(shè)定值100 V，且保持穩(wěn)定；usc也穩(wěn)定在給定值55 V左右，局部放大波形說(shuō)明在負(fù)載波動(dòng)時(shí)usc略有波動(dòng)。在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)載處于高頻變化狀態(tài)，燃料電池輸出電流iF維持恒定輸出；也就是說(shuō)，負(fù)載的波動(dòng)是通過(guò)超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元在緩沖能量的，這從超級(jí)電容器的電流isc的變化情況也可看出。仿真結(jié)果說(shuō)明多端口電源系統(tǒng)的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定輸出，且能迅速跟蹤負(fù)載變化，滿足能量的快速傳遞控制要求。

圖5 多端口電源系統(tǒng)仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)基于儲(chǔ)能的多端口電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案，并對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元進(jìn)行了容量配置。系統(tǒng)中的兩組DC/DC變換器均以電壓電流雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電壓的穩(wěn)定控制和能量的快速傳遞控制。系統(tǒng)仿真分析表明，負(fù)載波動(dòng)時(shí)超級(jí)電容器單元能夠有效調(diào)節(jié)，維持負(fù)載電壓穩(wěn)定，驗(yàn)證了系統(tǒng)控制策略的可行性。