基于三端口雙向DC/DC 儲能變流器的電流內環控制策略研究

胡平

摘 要：多端口雙向DC/DC儲能變流器是一種進行能量控制變換的電力電子裝置，是一種新型前沿技術，在以風力發電、光伏發電、燃料電池發電多能互補的智能微電網系統以及電動汽車能量管理控制系統中有著良好發展前景。系統主拓撲結構是以三端口雙向DC/DC變換器作為儲能裝置，分別連接負載端、超級電容器和蓄電池，所組成的電動汽車充放電能量管理系統。通過對三端口雙向DC/DC 儲能變流器的控制策略的深入研究，采用狀態空間法和波特圖的形式來研究電流內環控制策略，實現儲能裝置在發電系統及電動汽車能量管理系統中的穩定應用，改善電能的利用效率。

關鍵字：變流器；電流內環；微電網

中圖分類號：TM315 文獻標志碼：A

Research on Current Inner Loop Control Strategy Based on Three-port Bidirectional DC / DC Energy Storage Converter

HU Ping

（Shaanxi Polytechnic Institute Xianyang，shaanxi 712000，China）

Abstract：Multi-port bidirectional DC / DC energy storage converter is a power electronic device that can perform energy control and conversion，It is a new frontier technology which has a good development prospects in the smart micro-grid system and in the electric vehicle energy management control system what wind power，PV power generation and fuel cell power generation can complement each other.In this paper，the main topology of the system is a three-port bi-directional DC / DC converter as the energy storage device，respectively，connected to the load side，super capacitors and batteries which build up the electric vehicle charge and discharge energy management system.Through in-depth study of the three-port bidirectional DC / DC energy storage converter control strategy，we use the state space method and the form of the Bode diagram to study the current inner loop control strategy for achieving stability and application of the energy storage devices in power generation systems and electric vehicle energy management system，and improving utilization efficiency of electric energy.

Key words：converter；current inner loop；micro-grid

1 三全橋DC/DC變換器拓撲結構及等效電路分析

1.1 三全橋主電路拓撲結構

三端口全橋雙向DC/DC變換器，其有兩個輸入模塊，一個輸出模塊。輸入模塊采用電流型全橋結構，在電源處串聯大電感實現電流穩定，輸出模塊采用電壓型全橋結構，在負載處并聯大電容保證電壓穩定。而能量傳輸單元則采用的是變壓器，該變壓器是高頻三繞組耦合變壓器，可以實現電氣隔離。圖1是三全橋雙向DC/DC變換器主拓撲結構，VBT是低壓蓄電池端口，VSC是低壓超級電容端口，V0屬于高壓負載端口，Tr是連接三個端口的三繞組的變壓器[1]。Lr1和Lr2是隔離變壓器原邊端口漏感，Lr3是隔離變壓器副邊端口的漏感。在正向供電模式下，超級電容VSC和蓄電池VBT共同工作一起供電，負載側V0接收VSC和VBT提供的能量傳輸，在反向工作模式時，負載通過燃料電池或光伏電池給低壓端的蓄電池和超級電容進行儲蓄電能的傳輸[2]。該變流器不僅可以進行能量雙向流動，而且由于變壓器的加入，實現了電氣隔離和電路的易操作性，全橋結構相較于半橋結構的優點是可以根據調節電壓間移向角，三端口輸入電壓的高低，以及占空比，使得DC/DC變換器能夠更好地滿足輸入電壓范圍，達到理想環境[3][4]。

三端口雙向變流器采用移相的方式對電壓進行調節，φ13是負載側電壓與蓄電池側電壓的移相角，φ23是負載側電壓和超級電容側電壓的移相角，φ12是超級電容側電壓和蓄電池側電壓的移相角，D1是超級電容側占空比，D2是蓄電池側占空比[5][6]，通過實驗數據表明，可以實現超級電容組以及蓄電池組共同工作給負載供能，當修改移相角φ13、φ23、φ12與占空比D1、D2時，可以實現任意比例給負載提供功率，改變三端口之間傳輸與接收功率的方向與大小，實現可控化[7][8]。

1.2 變換器等效電路

在進行分析前需要將變壓器拓撲結構進行簡化，三繞組變壓器有兩個低壓電路端，一個高壓負載端，可以等效為Y型和△型。由于篇幅原因，此處只介紹Y型等效電路模型，△型簡化模型可以自行查閱資料，在變壓器的Y型簡化等效模型中，變壓器上各繞組的漏感的電感量均折算到原邊。如圖2所示。圖2是三端口全橋雙向（TAB）DC/DC變換器以原邊為參考的Y型等效電路。其中ir1、ir2和ir3為變壓器各端口處折算到原邊的繞組電流，vr1、vr2和vr3為變壓器各端口處折算到原邊的繞組電壓。由于TAB變換器的低壓側和高壓側能量傳遞元件是變壓器Tr，因此在進行電路的簡化電路分析時，可以用漏感Lr1、Lr2和Lr3來代替變壓器三端口繞組端。endprint

1.3 三全橋DC/DC變換器能量流動和控制方式

儲能雙向變流器的能量控制方式一直是電動汽車的關鍵問題，蓄電池和超級電容由于自身工作特性，既可以充電，也可以放電，雙向DC/DC變換器可以分為正向與反向兩種工作模式，圖3是三端口變換器能量流動圖，從圖中可以看出，端口1，端口2和端口3通過TAB進行相連，能量傳輸是雙向的，既能充電，也能放電。變換器上的開關管S1～ S12可以通過控制電路上PWM的控制策略來調整占空比大小與通斷順序。這樣就能實現多電源與負載的雙向能量管理，及時的給負載提供電能，實現電動汽車的普及。

如圖3所示，當P13 >0、P12 >0、P23 >0時，變換器為正向Boost升壓模式下工作。（P13=P1-P3，以下亦如此類）。蓄電池給超級電容和負載供電，蓄電池給負載供電。當P13<0、P12 >0、P23 <0時，變換器為反向Buck降壓模式下工作。負載側電源給蓄電池和超級電容供電，蓄電池同時為超級電容提供輔助充電[9]。正是由于VSC和VBT雙電源的工作特性，在雙向變換器的能量傳輸方向方面，永遠是蓄電池給超級電容提供功率，正向模式下同時向負載供電，反向模式時負載給兩者充電[10]。

2 基于三端口DC/DC變換器的能量管理控制策略研究

在電動汽車以及智能微電網系統的工作模式中，DC/DC變換器都需要進行電壓的恒壓控制，使負載端電壓即高壓側母線電壓在正常運行情況下或者外部干擾的情況下都需要保持穩定狀態[11][12]。這就需要電壓外環控制策略的研究，同時為了防止蓄電池和超級電容在長時間使用狀態下由于氧化勞損的原因發生過充和過放電現象，對蓄電池和超級電容的充放電方式進行管理，實現過流保護。輸入端是電流型全橋結構，因為直流電源處的大電感的接入，使得輸入電流穩定連續，變換器采用平均電流控制方法，即電壓外環控制輸出直流母線電壓，電流內環控制來自兩個輸入端的電感電流，從而實現電壓與電流控制[13]。但是電壓電流的雙閉環控制的影響，電路系統會因為相互干擾而產生諧波，所以必須進行解耦控制[14]。

2.1 TAB變換器電流內環解耦設計

通過公式轉化，從式2-2可知，通過解耦網絡H的設計，系統已經從原來的多對多的互相耦合的控制模式轉換成單對單的控制系統，即一個輸出對應一個輸入，實現了系統的解耦控制。如圖2所示為電流內環系統解耦控制圖，式（3）和（4）分別是電感電流i1和i2的等效閉環系統中的開環傳遞函數。從而可以通過分析式（3）中的x1和式（4）中的x2來對電流內環進行穩定性研究，并且對i1和i2的控制回路的電流調節器進行設計。

2.2 電流內環調節器設計

通過MATLAB計算得出ans=4，系統是不可控系統。對解耦后的傳遞函數x1進行波特圖（Bode Diagram開環對數頻率特性曲線，可以準確地提供穩定性和穩定裕度的信息，來衡量閉環系統穩態和動態性能）分析，通過Matlab/Simulink進行函數波特圖圖形繪畫，如圖3綠線所示，可知該函數的相角裕度為γ=-0.178 °，屬于不穩定系統，所以需要對電流內環i1進行補償器設計，以滿足穩定需求，通過大量實驗與經驗分析所得，校正裝置的傳遞函數為：

Gi1（s）=（τ1s+1）（τ2s+1）τs（9）

其中τ1=0.00035、τ2=0.000032、τ3=0.0023，取電流環的截止頻率為1200 Hz。

對傳遞函數進行分析，因為在實際系統中，需要電流環滿足一定的精度要求，并且具有良好的跟隨性，所以添加一個積分環節來滿足要求，消除或減小穩態誤差。添加兩個微分環節使幅頻特性曲線在高頻段的截止頻率為-20 dB。所以構造的補償裝置構造函數如上式所示。

通過式（6）和（9）串聯所得系統，畫出系統波特圖，如圖5（藍色是補償后的波特圖，綠色是補償前的波特圖）所示，此時修正后系統的相角裕度（Phase Margin）γ=57.7 °，在工程應用中的45 °～70 °的穩定要求范圍內，電流內環i1系統得到補償，提高了開環截止頻率，使系統得到簡化最終達到穩定狀態。

用相同的方法對電感電流i2的電流內環進行分析。

由傳遞函數式（7）可知，狀態空間表達式如（10）所示：

3 結 論

本文主要介紹一種新型的三端口DC/DC儲能變流器的拓撲結構，實現蓄電池、超級電容和負載的雙向能量交換，通過控制單元可以改變功率的大小與方向，從而實現三端口變流器在電動汽車以及智能微電網系統中的應用。然后介紹電流內環控制策略，從圖4與圖5可知，在不穩定系統中增加適當的補償器，可以實現電流內環的穩定控制，從而有效的降低有功功率的震蕩的幅值和時間，使系統調節更加靈活穩定。

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