超級電容恒功率測試系統中斜坡補償控制策略

張 莉，袁金壘，張昊然

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116023)

超級電容恒功率測試系統中斜坡補償控制策略

張 莉，袁金壘，張昊然

(大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116023)

主要是針對雙管正激電路在超級電容恒功率充放電過程中隨著占空比增大帶來的系統誤差變大及不能滿足伏秒平衡條件等問題對驅動電路進行改進，通過在采樣電壓Vs處加入斜坡補償達到拓寬系統工作區域，改善隨占空比過大系統誤差不收斂的問題，通過引入斜坡補償環節該系統在占空比D＞50%時仍能很好地實現恒功率充放電的控制目標。

恒功率；雙管正激電路；占空比；斜坡補償

超級電容具有比功率高，可大電流充放電，循環壽命長等特點，已經在混合動力汽車、風電儲能、航空航天等各個領域有了初步應用，但是目前對超級電容的充放電性能研究還有待進一步深入[1-3]。

目前，超級電容的充放電測試主要分為恒流-恒壓測試、恒功率測試兩種，而相對于恒流-恒壓控制策略來說，恒功率實現起來相對簡單，而且充放電效率更高[4]。

在超級電容的恒功率控制策略中，主電路拓撲采用雙管正激電路，但此電路的主要問題在于當D＞50%時，系統誤差會變大，且不滿足伏秒平衡條件[5]，針對上述問題，本文基于雙管正激電路設計了一種帶斜坡補償的恒功率充放電控制電路。通過引入斜坡補償電路實現了在D＞50%的條件下，能夠實現系統誤差收斂且滿足伏秒平衡條件。最后通過對系統進行整機調試，驗證了系統能夠實現恒功率充放電的控制目標。

1 恒功率充放電控制原理

超級電容恒功率充放電測試系統的主電路為雙管正激電路，如圖1所示。在充電時PWM波驅動一對IGBT同時導通，此時通過變壓器對二次側的超級電容進行充電，在充電過程中，隨著電感電流的減小，為保持功率恒定，需通過調節使輸出電壓增大，由式(1)可知，在變壓器匝數比和輸入電壓不變的條件下增大占空比即可增加輸出電壓，從而保持功率恒定。

圖1 雙管正激電路主拓撲結構圖

由于D＞50%時，系統誤差是不收斂的，而且不滿足伏秒平衡條件。所以需要引入斜坡補償環節對恒功率充放電系統進行改善。同理，在放電時，調節機制同充電類似，由于剛開始電感電流較小，故需要較大占空比才能滿足系統恒功率所需要的輸出電壓，當D＞50%時同樣也需要加入補償環節。

2 斜坡補償控制策略分析

(1)當D＞50%時，不滿足伏秒平衡條件

在超級電容放電過程中，隨著放電電流持續減小，為使P保持恒定，需要不斷增加占空比D從而使輸出電壓增加，當D＞50%時，由伏秒平衡條件可知，變壓器上的正負伏秒平衡條件為：，即D＜50%。因此，雙管正激電路只能工作在D＜50%的區域時才滿足伏秒平衡條件。

(2)當D＞50%時，系統誤差不收斂

如圖2和圖3所示，分別為D＜50%和D＞50%時擾動誤差隨周期變化的坡形圖，如圖2和圖3所示，系統誤差在D＜50%時是收斂的，在D＞50%是發散的。

圖2 占空比D＜50%時系統誤差波形圖

圖3 占空比D＞50%時系統誤差波形圖

分別在D＜50%和D＞50%的情況下對系統進行收斂性分析。其中△為系統擾動電流，△為一個周期后系統的擾動誤差(△為個周期后系統的擾動誤差)，和分別為電感電流的上升斜率和下降斜率。對于第一個周期內進行分析，在如圖2標記處所示，由三角形相似可知：

對第二個周期進行分析：同理可得

將式(3)代入式(4)可得：

……

在n個周期以后，得到：

由式(6)和式(7)可知，系統誤差在D＜50%時是收斂的，在D＞50%時是發散的，這與圖2和圖3所示的系統誤差坡形變化規律是一致的。

由式(7)、式(8)、式(10)可知，實現系統穩定的條件為：

對系統分析時，考慮最惡劣狀態下的斜坡補償，即對占空比D=1時進行討論：當D=1時，=0，則式(12)簡化為：

3 斜坡補償電路設計

在恒功率充放電系統中，由于主電路拓撲為雙管正激電路，為了拓寬系統工作區域，提高系統穩定性和減小系統誤差，必須進行斜坡補償。斜坡補償方式常用的可以分為以下兩種：誤差電壓信號Ve處的斜坡補償和采樣電壓信號Vs處的斜坡補償。在Vs處的斜坡補償電路中，射極跟隨器的加入減小了晶振端的輸出阻抗，使得補償效果比較好，所以采用該補償方式，如圖4所示。

圖4 系統中斜坡補償部分內部結構圖

其中控制芯片采用UC3846，其內部結構如圖4所示，其中圖4中的信號采樣環節連接UC3846的電流采樣3、4端口，斜坡補償環節是在采樣電壓Vs處的斜坡補償，即連接UC3846的端口5。

在UC3846的控制下，芯片中的誤差放大器對參考電壓Vref和部分輸出電壓Vo的差值進行放大，從而得到誤差電壓信號Ve，并輸入PWM比較器的反相輸入端；電流采樣放大器通過3、4端口通過采樣電阻R3，將電流信號轉換成電壓信號Vs，并和斜坡補償環節產生的補償信號疊加后輸入PWM比較器的正相輸入端，通過比較產生PWM驅動信號，并經過RS鎖存器鎖存，再將此信號送給PWM驅動模塊，從而產生工作區域較寬的PWM信號驅動IGBT的導通與關斷。

4 帶斜坡補償的恒功率測試系統

系統分為主電路、控制電路、采樣電路、供電模塊斜坡補償電路、IGBT模塊及驅動電路、超級電容器組(100 V，9 F)和上位機虛擬測試平臺，系統實物如圖5所示。其中，上位機是采用LabVIEW設計的超級電容恒功率充放電系統虛擬測試平臺，通過NI-PCI6221將采集到的電壓和電感電流信號傳送給上位機測試平臺，上位機平臺對數據進行處理。

圖5 CPSC系統實物圖

對超級電容器組進行恒功率充放電測試，首先采用大功率充電機充電，當充電達到設定值85 V時，系統切換至放電回路對負載進行恒功率放電，將充放電過程中采集到的電壓電流數據傳輸給上位機測試平臺進行處理和顯示。如圖6所示為系統未加入斜坡補償時電壓和電流波形圖，圖7為系統加入斜坡補償后電壓和電流波形圖。

通過圖6、圖7對比可知，當D＞50%時，未加入斜坡補償時，系統出現震蕩，在加入斜波補償后，斜坡補償電路很好地達到了抑制次諧波震蕩問題，系統誤差在加入斜坡補償后趨于收斂，很好地解決了隨占空比過大帶來的系統誤差不收斂等問題，實現了恒功率充放電的控制目標。

圖6 未加入補償前電壓、電流波形圖

圖7 加入補償后電壓、電流波形圖

5 結論

通過實驗驗證，本測試系統對恒功率充放電電路中占空比D過大帶來的系統誤差不收斂、不滿足伏秒平衡條件等問題均有了很好的解決。通過引入斜波補償電路，在D＞50%時，恒功率充放電測試系統也能很好地實現控制目標，這對超級電容的電氣性能測試有著重要的作用。

[1]CONWAY B.Electrochemical supercapacitors：scientific fundamentals and technological applications(POD)[M].New York：Kluwer Academic Plenum，1999.

[2]王兆安.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2008：188-242.

[3]KHALIGH A，LI Z.Battery,ultracapacitor,fuel cell,and hybrid energy storage systems for electric,hybrid electric,fuel cell,and plug-in hybrid electric vehicles：State of the art[J].Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2010，59(6)：2806-2814.

[4]ABBEY C，JOOS G.Supercapacitor energy storage for wind energy applications[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，2007，43(3)：769-776.

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Research on slope compensation control strategy of super-capacitors constant power test system

Abstrct:It was aimed at the problems of increasing systemic error and not meeting the volt-second balance condition along with the extension of duty cycle in dual switch forward converter during constant power charging-discharging of super capacitor(CPSC).In order to improve the driving circuit,the slope compensation signals were added to the sampling voltage Vs to broaden the system work area, and the problem of system error misconvergence was improved with the extension duty cycle.By introducing the slope compensation, the control of constant power charge/discharge process could be realized,and the duty cycle was more than 0.5.

constant power；dual switch forward converter；duty cycle；slope compensation

TM53

A

1002-087X(2016)12-2446-03

2016-05-07

張莉(1964—)，女，遼寧省人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為超級電容儲能及電能存儲和電能變換。