一種用于波浪補償系統(tǒng)的超級電容儲能裝置研究與設計

包啟涵，黃曉剛

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一種用于波浪補償系統(tǒng)的超級電容儲能裝置研究與設計

包啟涵1，黃曉剛2

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

研究一種用于波浪補償系統(tǒng)的超級電容儲能裝置，通過利用雙向DC/DC變換器將直流母線與超級電容連接起來,致力于解決波浪補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，通過設計了雙向DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制策略，來達到母線電壓穩(wěn)定的目的。當直流母線電壓升高，控制超級電容充電，當直流母線電壓降低，控制超級電容放電。實驗驗證了所提出的基于DSP的雙向DC/DC變換器的超級電容儲能裝置控制策略的有效性。

儲能系統(tǒng) 超級電容 波浪補償 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、海浪和船舶自身運動等因素影響著海上補給作業(yè)，導致船舶一直無法安全有效的提供海上補給任務，因此產(chǎn)生了波浪補償功能的系統(tǒng)[1]。但是使用帶有波浪補償系統(tǒng)的起重機進行船舶補給的時候，當?shù)蹉^下降時會帶動電機運轉(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?shù)蹉^上升時需要電機運轉(zhuǎn)來帶動，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供電[2]。從而產(chǎn)生了波浪補償系統(tǒng)中，由于起重機在補償時經(jīng)常上升或下降，從而導致母線電壓波動，進而影響整個系統(tǒng)的安全運行，造成能量的浪費問題。本文為了解決這一問題，提出一種能量存儲裝置，使得系統(tǒng)能夠吸收負載制動的回饋能量，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起來，當負載需要的能量大于母線電壓提供的能量時，儲能裝置釋放能量為負載供電。儲能裝置的存在，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償?shù)钠鹬貦C補給系統(tǒng)工作在平穩(wěn)的工況下，極大地增加了系統(tǒng)的能量負荷能力以及使系統(tǒng)運行更加安全。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 波浪補償系統(tǒng)超級電容儲能原理圖

在儲能裝置中，雙向變換器承擔著能量雙向傳輸?shù)娜蝿眨虼嗽谡麄€儲能系統(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。總的來看，傳統(tǒng)隔離型雙向變換器的電路拓撲都可以認為是橋式電路、推挽電路的不同組合或他們的變形電路的不同組合。文獻[3]提出橋式拓撲的缺點是環(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計成本。推挽拓撲的缺點是由于易發(fā)生磁通不平衡，對變壓器的設計和制造工藝都有較高要求，其應用在一定程度上受到限制。由于目前超級電容儲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電容儲能裝置的首選。

在文獻[4]中詳細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力，如功率器件承受的最大電壓、最大電流的數(shù)量等級、濾波功率電容、儲能功率電感的紋波等。超級電容器端電壓變化范圍寬，在功率緩沖及負載平衡等應用中，功率開關(guān)器件的電應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，該拓撲繼承了半橋型變換器原有的結(jié)構(gòu)緊湊、高效的特點，三相并聯(lián)結(jié)構(gòu)減小了電感電流紋波，提高了超級電容的使用壽命。為了提高系統(tǒng)動態(tài)性能，使用DSP數(shù)字控制，可以高效的實行復雜的控制算法，同時抗干擾性佳，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，三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器為電路拓撲的硬件平臺，實現(xiàn)以母線電壓為基準，對超級電容充電、放電和切換實驗。介紹了用于波浪補償系統(tǒng)的超級電容儲能裝置的基本原理，分別對充電模式和放電模式進行了雙閉環(huán)控制策略的研究。最后，通過仿真和實驗驗證儲能系統(tǒng)的有效性。

1 雙向DC/DC變換器分析

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)如下圖2所示。

圖2 交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器

1.2 雙向DC/DC變換器的數(shù)學模型

為了設計雙向DC/DC變換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)，使其達到所需的控制性能需要建立數(shù)學模型。多相交錯并聯(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

超級電容儲能裝置的目的是為了解決帶有波浪補償系統(tǒng)的起重機的升降而引起的能量浪費問題。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變換器儲存到超級電容上，為超級電容充電；若母線電壓下降時，則超級電容為母線放電，來維持電機的供電[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：起重機上的吊鉤下降，母線電壓升高，且超級電容兩端電壓值低于超級電容的最大電壓值，則為超級電容進行充電。

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

2.2 充電模式下系統(tǒng)設計

超級電容儲能裝置充電模式下的控制框圖如圖5所示，此時開關(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Buck電路。為了實現(xiàn)對超級電容充電電流控制，充電時采用電感電流內(nèi)環(huán)和超級電容電壓外環(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：當超級電容電壓較低時，電壓外環(huán)輸出值飽和，限幅后作為電感電流的給定，此時超級電容處于恒流充電狀態(tài)，當超級電容電壓達到預定值，電壓外環(huán)起作用，此時處于恒壓充電狀態(tài)[11]。

圖5 超級電容儲能裝置充電控制框圖

2.3 放電模式下系統(tǒng)設計

超級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Boost電路，此時超級電容給負載放電。為了保持負載端電壓的穩(wěn)定，需采用負載端電壓的閉環(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，限制了系統(tǒng)的帶寬，進而會影響系統(tǒng)的動態(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，這里用一個電阻代替負載。電壓外環(huán)的作用是根據(jù)負載端的電壓偏差，計算并給出電流的給定值，用于維持負載端電壓的穩(wěn)定，電流環(huán)的作用是限制超級電容放電電流的大小，并提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。

圖6 超級電容儲能裝置放電控制框圖

3 軟硬件設計

為了驗證為設計儲能裝置而提出的控制策略的正確性，搭建了實驗平臺，如圖7所示。超級電容儲能裝置實驗平臺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、超級電容和電阻組成，由于實驗室的條件有限，不具備模擬波浪補償裝置的直流母線，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，當直流母線電壓低于預設電壓時，超級電容向直流母線端并聯(lián)的電阻放電以實現(xiàn)能量的雙向流動過程。控制部分主要由DSP控制板，CPLD保護板和IGBT驅(qū)動板組成。系統(tǒng)在運行過程中，為防止程序跑飛或器件受損導致的過電壓過電流等意外發(fā)生，進而導致系統(tǒng)模塊、IGBT功率模塊和控制電路等損壞。CPLD保護板內(nèi)部集成邏輯電路來檢測電壓和電流，當其值大于設定保護值時，產(chǎn)生保護信號立刻切斷PWM驅(qū)動信號，對系統(tǒng)進行有效額保護。實驗中所使用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IGBT。因此需要經(jīng)過驅(qū)動電路之后，將驅(qū)動信號輸入到IGBT開關(guān)管中。驅(qū)動模塊主要由隔離變壓器、短路保護和供電電壓檢測保護等組成，能夠輸出兩路完整的驅(qū)動信號，且輸入與輸出具有電氣隔離功能。交錯并聯(lián)的雙向DC/DC變換器有6個IGBT開關(guān)管，因此需要使用3組驅(qū)動模塊。

圖7 超級電容儲能裝置實驗平臺框架

4 實驗結(jié)果

本實驗搭建了一個超級電容充放電硬件實驗平臺，超級電容器選擇的是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。在實驗中設定超級電容器的充電電流=5 A，放電電流=5 A,母線電壓=50 V，負載電阻=20 Ω。

圖8 電感電流紋波波形

圖8為三相交錯并聯(lián)DC/DC變換器正常溫度工作時，各相電流與疊加后總電流的波形圖，可以看出三相交錯并聯(lián)拓撲結(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 充電電流動態(tài)波形

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

圖10 放電電流動態(tài)波形

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

圖11 充電模式切換放電模式動態(tài)波形

5 結(jié)論

本文針對波浪補償系統(tǒng)中，由于起重機的升降導致直流母線電壓波動的問題，提出了利用超級電容儲能裝置來解決這一問題。本文以超級電容儲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，提出了針對超級電容儲能裝置的控制策略，分別在Boost和Buck模式下，對系統(tǒng)求出小信號模型，分別建立雙閉環(huán)的控制算法。其中Buck模式下，以超級電容的電壓為外環(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)器件電流應力的降低，由于使用的是三相交錯并聯(lián)雙向DC/DC變換器作為儲能系統(tǒng)的功率變換器，可以大幅地降低電流應力，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

浙江省教育廳項目（Y201534139），上海海事大學研究生創(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。