復合能源雙向DC/DC變換器的建模與控制策略研究

摘 要： 提出一種基于超級電容的雙向DC/DC變換器。根據DC/DC變換器的基本原理，在小信號假設條件下，采用狀態空間平均法，建立變換器的數學模型；根據雙向變換器的雙向傳遞能量的工作原理，制定有效合理的控制策略；利用Matlab/Simulink庫中超級電容模塊搭建雙向DC/DC變換器進行仿真，仿真和實驗結果均表明，系統能夠實現能量的雙向傳遞，驗證了其正確性和合理性。

關鍵詞： 超級電容； 雙向DC/DC變換器； 數學模型； 閉環控制

中圖分類號： TN65?34； TN86 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）20?0108?03

Abstract： A bidirectional DC/DC converter based on supercapacitor is proposed in this paper. According to the fundamental principle of DC/DC converter， the state space average method is used to establish the mathematical model of the converter under the assumption of small signal. According to the working principle of bidirectional energy transfer of the bidirectional converter， the effective and reasonable control strategy was developed. A bidirectional DC/DC converter was built with the supercapacitor module in the Matlab/Simulink database to achieve simulation. The simulation and experimental results show that the system can transfer the energy bi?directionally， which verify its correctness and rationality.

Keywords： supercapacitor； bidirectional DC/DC converter； mathematical model； closed?loop control

雙向DC/DC變換器已廣泛應用于各種領域，比如衛星的太陽板、電力系統的儲能[1?2]。近年來，隨著超級電容的廣泛應用，帶有雙向直流變換器的超級電容儲能系統能夠對短時能量沖擊起到緩沖作用。通過雙向DC/DC變換器可以在短時間內使負載所產生的瞬時功率被超級電容吸收，并在負載需要瞬時功率時給負載提供瞬時功率，從而滿足了節能環保的要求。目前，日本、美國、瑞士、俄羅斯等國家都在加緊超級電容的開發，并研究超級電容在電動車驅動和制動系統中的應用，而我國超級電容的生產和應用還處于起步階段。在電動教練車混合直流源系統中，蓄電池作為主電源直接與直流母線相連，超級電容作為輔助電源通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連[3?4]。對比分析雙向半橋Buck/Boost、雙向Sepic、雙向Cuk、雙向T型Buck?Boost四種拓撲結構，得到在升壓模式下，雙向半橋Buck/Boost的導通損耗遠小于其他三種雙向拓撲，降壓模式下，損耗只大于雙向T型Buck?Boost[5?6]。本文利用狀態空間平均法得到變換器的小信號數學模型的方法，建立了雙向半橋Buck/Boost變換器的數學模型[7?9]，推導出變換器的控制傳遞函數，設計了電流閉環反饋控制系統，通過Matlab/Simulink仿真驗證了上述方法的正確性和有效性，實現了輸出穩定電流、優良的動態性能等功能。

1 系統的結構和數學模型的建立

1.1 雙向DC/DC變換器拓撲結構選擇

考慮到超級電容儲能體積及成本，其端電壓一般低于電機驅動逆變器的高效工作電壓。雙向變換器在正向工作時具有升壓斬波能力，將儲能模塊端電壓升至逆變器高效工作的母線電壓范圍，以優化電機的驅動；在電機處于再生發電狀態時，通過降壓電路將制動回饋能量轉換為電能儲存在超級電容中[10?12]。通過對比多種雙向DC/DC變換器拓撲結構，選擇雙向半橋式Buck/Boost變換器，如圖1所示。變換器正向工作時，G1作為PWM開關管工作，G2截止，超級電容C1、儲能電感L、開關管G1、二極管D2及濾波電容C2組成Boost電路；反向工作時，G2作為PWM開關管工作，G1截止，C2，G2，D1，L及C1組成Buck電路[13]。

2 控制策略

根據實際的應用要求，電機在頻繁的起動、加速、減速、制動過程中，母線電流不停的寬范圍變化，在雙向DC/DC變換器中電流的方向也不停的變化，針對這種工作在不同方向電流的Buck/Boost變換器來說，傳遞函數有很大的不同，穩定而精確的控制相對困難[14?15]。針對上述問題的特殊要求，結合上述建立的雙向DC/DC變換器數學模型，考慮電流閉環控制策略，既增強了系統的穩定性，又提高了系統的動態性能。在數字信號控制系統中，采集母線電流，電流給定信號（100 A）與電流采集值比較得到電流誤差信號，經PID調節器得到占空比，最終生成PWM控制信號，從而達到精確跟蹤給定電流的目的。當電機起動、加速時，雙向DC/DC變換器工作在Boost狀態，電機需要電源提供130 A的大電流，通過控制變換器使超級電容輸出100 A電流，而動力電池組提供剩余電流，PID控制模塊的傳遞函數為：

3 仿真結果

在設計好控制器之后，需要驗證控制器設計的合理性，驗證能否實現雙向DC/DC能量傳遞，采用Matlab/Simulink仿真，輸入電壓[16]（超級電容側）48 V，輸出電壓72 V，占空比33%（放電）、67%（充電），開關頻率fs=50 kHz。仿真波形如圖4、圖5所示，圖4為雙向DC/DC工作在Boost模式輸出端電流波形，母線電流穩定在100 A，紋波為5%。圖5為Buck模式時輸入端電流波形，母線電流穩定在反向的100 A。由波形圖可知與理論分析一致。

4 結 語

根據電動教練車的特殊要求，本文應用了一種電動教練車上的復合電源雙向DC/DC變換器。根據采用狀態空間平均法，建立了Boost和Buck兩種模式電路的數學模型，分析了其控制策略，并通過Matlab/Simulink仿真，輸出了穩定的母線電流。

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