超級電容儲能系統中雙向DC-DC變換器控制策略研究

曹成琦，王 欣，秦 斌，張 凱，梁 楓

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

超級電容儲能系統中雙向DC-DC變換器控制策略研究

曹成琦，王 欣，秦 斌，張 凱，梁 楓

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

城市軌道交通站間距較短、運行密度大，列車需要頻繁的啟動和制動，列車在啟動時需要大量能量，導致直流牽引網電壓下降；列車在再生制動時產生大量能量，導致直流牽引網電壓升高，嚴重時還會使再生制動失效。針對這一問題，提出將雙向DC-DC變換器應用于超級電容儲能系統中，并設計了電壓外環、電流內環的雙PI控制策略。利用Matlab/Simulink搭建了雙向DC-DC變換器和超級電容儲能系統的仿真模型，分析了雙向DC-DC變換器在Buck模式、Boost模式下的運行情況以及電壓外環、電流內環的雙PI控制策略的控制效果。仿真結果驗證了雙向DC-DC變換器能夠實現能量的雙向傳輸和控制策略的有效性。

超級電容儲能系統；雙向DC-DC變換器；電壓外環、電流內環的雙PI控制策略；再生制動

0 引言

當前不可再生能源越來越緊張，開發新能源和節約能源是解決能源問題的根本途徑。超級電容作為一種新型的儲能元器件，在列車上得到了廣泛的應用。如圖1所示為超級電容儲能系統的控制框圖，超級電容儲能系統由超級電容組和雙向DC-DC變換器構成。超級電容儲能系統在列車再生制動時，儲存再生制動產生的能量，防止直流牽引網電壓過高；在列車啟動或者加速時，釋放儲存的能量補償下降的直流牽引網電壓，這樣能夠極大地節約能量[1]。

雙向DC-DC變換器具有結構簡單、效率高、系統損耗小的特點[2]，是實現能量雙向傳輸的直流變換器，結合了Boost電路和Buck電路的升降壓功能，因此廣泛應用于儲能系統、電動汽車、太陽能發電系統等中[3]。雙向DC-DC變換器通過開關管接收系統通斷的開關信號，從而組成降壓斬波電路和升壓斬波電路。雙向DC-DC變換器可以分為隔離式和非隔離式2種。非隔離式與隔離式雙向DC-DC變換器相比，具有元器件更小、效率更高、無變壓器損耗等優點[4]，所以非隔離式雙向DC-DC變換器應用更加廣泛。

為了使超級電容能夠及時充放電，有效地抑制直流牽引網電壓的波動，本文采用電流內環控制、電壓外環控制的雙閉環和雙PI的控制策略[5]，選取非隔離式雙向DC-DC變換器。

1 非隔離式雙向DC-DC變換器

1.1 拓撲結構

雙向DC-DC變換器對輸入和輸出電壓的極性并不影響，只改變電壓的大小。雙向DC-DC變換器通過IGBT的通斷和二極管的續流來實現能量的雙向傳輸。根據控制系統產生的脈沖來控制IGBT開關管的通斷，當一個IGBT開關管導通，另一個IGBT開關管關斷，關斷的IGBT中反向二極管續流進而構成回路[6]。如圖2所示為非隔離式雙向DC-DC變換器的拓撲結構,其主要由2個IGBT、1個電感、2個電容構成。圖中，U為電源端電壓，R和C構成一個簡單的超級電容[7]。

圖2 雙向DC-DC變換器拓撲結構Fig.2 Topology structure of bidirectional DC-DC converter

1.2 工作原理

雙向DC-DC變換器應用于超級電容儲能系統時，工作模式主要為Buck模式和Boost模式[8]。當列車處于惰性運行狀態時，雙向DC-DC變換器停止工作，超級電容處于備用狀態。

Buck工作模式的主要功能是降低輸出電壓，如圖3所示。當列車處于再生制動和減速階段時，會導致牽引網電壓上升。此時進入Buck工作模式，IGBT1導通，IGBT2斷開，超級電容吸收列車再生制動產生的能量，然后IGBT1斷開，儲存在電容C1中的能量經過IGBT2的續流二極管繼續給超級電容充電[9]。

圖3 Buck工作模式Fig.3 Buck working mode

Boost工作模式的主要功能是升高輸出電壓，如圖4所示。當列車處于啟動或者加速階段時，會導致牽引網電壓的下降。此時進入Boost工作模式，IGBT2導通，IGBT1斷開，超級電容釋放能量并且儲存到電容C1中，然后IGBT2斷開，電容C1中的能量經過IGBT1的續流二極管供列車使用[10]。

圖4 Boost工作模式Fig.4 Boost working mode

2 雙向DC-DC變換器的控制策略

雙向DC-DC變換器控制超級電容充放電，是一個二階電路，2個變量分別是電容電壓和電感電流。本文采用電壓外環、電流內環的雙PI控制策略。

直流牽引網電壓給定值U0*和電感電流IL的傳遞函數為

式中d(s)為占空比擾動，s為自變量。

超級電容兩端的端電壓UC和電感電流IL的傳遞函數為

電壓外環、電流內環的雙PI控制策略框圖如圖5所示。圖中，KI為電流采樣系數，KV為電壓采樣系數。直流牽引網電壓U0與直流牽引網電壓給定值的差值，經過PI電壓調節器，得到電感電流的給定值，與實際電感電流的差值通過PI電流調節器，再經脈寬調制得到觸發開關器件的控制信號PWM[11]。

圖5 雙向DC-DC變換器的控制框圖Fig.5 A control block diagram of bidirectional DC-DC converter

PI電壓調節器和PI電流調節器的傳遞函數為：

式中：KVP,KVI分別為電壓補償環節的積分系數和比列系數；

KIP,KII分別為電流補償環節的積分系數和比列系數。

由圖5可知，電流開環和閉環傳遞函數為

式（3）～（4）中：KPWM為比列環節的比例系數；

電流環的截止頻率和時間常數非常小，可以忽略不計。電流閉環Gi(s)可以等效為一個常數K。因此電壓開環和閉環的傳遞函數為：

電壓外環、電流內環的雙PI控制策略，可以增強系統的穩定性，有效地控制電流大小，使元器件能夠更少地受到電流沖擊[12]，提高系統響應速度，使系統電壓穩定[13]。

3 仿真分析

雙向DC-DC變換器主要有2種工作模式，分別為Buck模式和Boost模式。為驗證雙向DC-DC變換器能能夠實現能量雙向傳輸，本課題組利用Matlab/ Simulink軟件分別搭建了雙向DC-DC變換器仿真模型，分析了其在Buck模式和Boost模式下的工作情況。為驗證雙向DC-DC變換器的控制策略能夠實現超級電容儲能系統的充放電，本課題組對超級電容儲能系統也進行了建模仿真。

雙向DC-DC變換器Buck模式下的仿真參數為：V=1 500 V，L=380H，C=0.126F。電感電流與電壓波形如圖6所示。

圖6 Buck模式下的仿真波形圖Fig.6 Simulation waveform in Buck mode

雙向DC-DC變換器Boost模式下的仿真參數為：V=500 V，L=255H，C=208F。電感電流與電壓波形如圖7所示。

由圖6～7可知：雙向DC-DC變換器在Buck模式下實現了電壓的降壓功能；雙向DC-DC變換器在Boost模式下實現了電壓的升壓功能。通過不同的輸入信號使雙向DC-DC變換器實現了升壓和降壓功能，驗證了其能實現雙向傳輸能量[14]。

圖7 Boost模式下的仿真波形圖Fig.7 Simulation waveform in Boost mode

圖8為雙向DC-DC變換器采用電壓外環、電流內環的雙PI閉環控制策略得到的超級電容兩端的電壓波形。由圖可知，電壓外環、電流內環的雙PI控制策略能夠控制超級電容進行充放電，這證明了控制策略的正確性和可行性[15]。

圖8 超級電容兩端的電壓波形圖Fig.8 Voltage waveform at both ends of the super capacitor

4 結語

本文分析了雙向DC-DC變換器的拓撲結構和工作原理，設計了電壓外環、電流內環的雙PI控制策略來控制超級電容的充放電，仿真分析了雙向DCDC變換器在Buck模式和Boost模式下的工作情況，以及電壓外環、電流內環的雙PI閉環控制策略對超級電容儲能系統的控制情況。仿真結果表明：雙向DC-DC變換器能實現雙向傳輸能量，電壓外環、電流內環的雙PI控制策略可以有效地控制超級電容的充放電。雙向DC-DC變換器能夠應用到超級電容儲能系統，且達到了預期控制效果。

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（責任編輯：鄧 彬）

Research on Control Strategy for Bi-Directional DC-DC Converter in Super Capacitor Energy Storage System

CAO Chengqi，WANG Xin，QIN Bin，ZHANG Kai，LIANG Feng
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The short distance between urban rail transit stations and the high density of railway result in frequent start-ups and brakings of the trains, involving a large consumption of energy when starting, and a drastic drop in DC traction network voltage. A lot of energy is generated during regenerative braking, which leads to an increase of the voltage of DC traction network, and a regenerative braking failure as well. With an aim to solve this problem, a bidirectional DC-DC converter is proposed for the super capacitor energy storage system, and a dual PI control strategy is designed for the voltage outer loop and current inner loop. A simulation model of bidirectional DC-DC converter and super capacitor energy storage system has thus been established based on Matlab/Simulink, and an analysis has been made of the operation of the bi-directional DC-DC converter in Buck mode and Boost mode, and of the control effect of double PI control strategy for the voltage loop and current loop. The simulation results show that the bidirectional DC-DC converter is capable of achieving the bi-directional transmission of energy, thus verifying the effectiveness of the control strategy.

super capacitor energy storage system；bi-directional DC-DC converter； dual PI control strategy of the voltage outer loop and current inner loop；regenerative braking

TM46

A

1673-9833(2016)06-0018-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2016.06.004

2016-09-29

國家自然科學基金資助項目（61074067，21106036），湖南省科技計劃基金資助重點項目（2014FJ2018），湖南省自然科學基金資助項目（13JJ3110），湖南省教育廳科研基金資助重點項目（15A050），湖南省研究生創新基金資助項目（CX2015B564）

曹成琦（1990-），男，湖南衡陽人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為電力系統及其自動化，E-mail：602593526@qq.com

王 欣（1971-），女，山東青島人，湖南工業大學教授，博士，主要從事復雜工業過程控制，能量管理，機器學習方面的研究，E-mail：Wangxin97p@163.com