基于磁集成結(jié)構(gòu)DC-DC變換器的超級電容儲能系統(tǒng)

夏向陽 ，孔祥霽，帥智康 ，周 云，蔣詩謠 ，彭瀟琪

（1.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410012）

0 引言

現(xiàn)今大功率的電力驅(qū)動設(shè)備，如電梯、起重機(jī)、牽引機(jī)械等直流電機(jī)對供給電能提出了越來越高的要求：高的峰值功率、更佳的電能質(zhì)量、更穩(wěn)定可靠的電能供給。一般的解決方案是配備一個不間斷電源 UPS（Uninterruptible Power Supply）作為后備補(bǔ)充。傳統(tǒng)的UPS多以蓄電池作為儲能主體，但是蓄電池本身有最大電流的限制，不能快速響應(yīng)，且體積龐大，造價昂貴，無法大規(guī)模應(yīng)用。

超級電容相比于蓄電池，以其超高的功率密度和最大電流，可以迅速滿足負(fù)載短期的功率要求［1-2］，并且充電快捷，在負(fù)載功率波動頻繁的場合，也能運作良好。因此采用超級電容更適應(yīng)電力驅(qū)動設(shè)備等的瞬間功率變化需要。

DC-DC變換器作為儲能系統(tǒng)與負(fù)載和電源之間的連接模塊，是整個儲能系統(tǒng)能否高效率、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，一般采用雙向升降壓DC-DC變換器（Buck-Boost Converter）或者 Cuk 變換器［3-5］。此類變換器在傳輸高功率時，需要配備體積龐大的電感。而磁集成技術(shù)，就是將變換器中的2個或多個分立磁件DM（Discrete Magnetics）繞制在一副磁芯上，從結(jié)構(gòu)上集中在一起［6-8］，集中后的磁件被稱為集成磁件IM（Integrated Magnetics）。通過一定的耦合方式、合理的參數(shù)設(shè)計，該技術(shù)能有效減小磁件體積和損耗，在一定的應(yīng)用場合還可減小電源輸出紋波，提高輸出動態(tài)性能［9-14］。磁集成技術(shù)還能減少連接端，可有效減少大電流場合連接端子的損耗［15-19］。

針對以上情況，本文提出了一種新型磁集成的超級電容儲能系統(tǒng)并給出了具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，具體介紹了磁集成技術(shù)運用在此系統(tǒng)中的優(yōu)勢，滿足電力驅(qū)動設(shè)備的要求。該系統(tǒng)能夠滿足電力驅(qū)動設(shè)備峰值功率時的需求，同時起到備用電源的作用，與傳統(tǒng)的DC-DC變換器相比，采用磁集成技術(shù)的DC-DC變換器，通過磁件與磁件之間的耦合，能有效減少變換器中磁件的體積和輸出電流的紋波。最后本文運用MATLAB軟件進(jìn)行了仿真驗證，并通過實驗驗證此方案的可行性。

1 超級電容儲能系統(tǒng)

1.1 儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1為所提出的DC-DC變換器與超級電容配合儲能系統(tǒng)。變換器由3個MOSFET開關(guān)VT1—VT3與其相對應(yīng)的二極管VD1—VD3、磁集成結(jié)構(gòu)（自感電感L1、L2和互感M）構(gòu)成。通過3個開關(guān)、二極管和磁集成結(jié)構(gòu)相互配合，構(gòu)成雙向DC-DC變換器。耦合電感的使用，可以更進(jìn)一步地減少雙向變換器最龐大和昂貴的部件。該變換器有4種主要的工作模式：

圖1 超級電容儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of super-capacitor energy storage system

模式1在降壓模式運行下通過直流環(huán)節(jié)給超級電容充電；

模式2在升壓模式運行下通過超級電容輸送電能至直流母線側(cè)；

模式3降壓模式下從直流母線側(cè)將制動能量輸入超級電容，再生制動；

模式4升壓模式下，當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)故障中斷時，由超級電容提供備用電源，供給電力驅(qū)動設(shè)備短時持續(xù)運作。

模式1與模式3相似，直流環(huán)節(jié)與直流母線可當(dāng)作相同，模式2與模式4相似，所以可將4種模式歸納為2種主要工作模式。

將磁集成結(jié)構(gòu)應(yīng)用于該儲能系統(tǒng)中，如圖1所示，引入了耦合電感，通過電感的耦合，當(dāng)電感L1中通過電流時，會在電感L2上產(chǎn)生耦合電壓，起到分壓作用，因此該耦合電感能夠提供更好的紋波消除功能。在較低的電流紋波下，電磁接口濾波器可以更小或者不使用，同時可以優(yōu)化開關(guān)頻率，減少開關(guān)損耗。通過設(shè)計精巧的磁性元件，開關(guān)和其他轉(zhuǎn)換器組件設(shè)備上的電壓應(yīng)力可以顯著降低，從而減少了開關(guān)因電壓應(yīng)力過大造成損壞的概率，增加了儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。再者，使用了耦合電感的變換器可以減少輸入電流和輸出電壓的紋波，對于負(fù)載變化反應(yīng)更靈敏，且能減少去耦電容的數(shù)量。

1.2 降壓模式下給超級電容充電

圖2為降壓模式下給超級電容充電的電流流向圖。如圖2所示，此模式包含超級電容直接從電網(wǎng)充電以及回收制動能量充電2種情況。在充電過程中，開關(guān)VT1、二極管VD2與電感L2一起組成一個降壓變換器。當(dāng)VT1閉合時，電流從直流環(huán)節(jié)（電網(wǎng)側(cè)或負(fù)載側(cè)）流入VT1和L2，電感L2充電；當(dāng)VT1斷開時，VD2導(dǎo)通，儲存于電感L2中的電能經(jīng)由二極管VD2對超級電容進(jìn)行充電。圖2中實線為充電電能來源，虛線為DC-DC變換器內(nèi)電能的傳輸方向。

圖2 降壓模式下超級電容充電電流流向圖Fig.2 Direction of super-capacitor charging current in Buck mode

1.3 升壓模式下超級電容放電

當(dāng)滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)或者電力驅(qū)動設(shè)備加速時，需要大量電能，此時由超級電容輔助電力驅(qū)動設(shè)備，為其提供額外的電能，穩(wěn)定負(fù)載側(cè)電壓，使電力驅(qū)動設(shè)備工作在較佳狀態(tài)。

圖3為超級電容放電時的電流流向圖，圖中，電感L2、開關(guān)VT2與二極管VD1構(gòu)成升壓變換器，電能由超級電容傳輸至負(fù)載側(cè)。當(dāng)VT2閉合時，超級電容放電，電感L2充電；當(dāng)VT2斷開時，VD1導(dǎo)通，儲存于電感L2中的電能和超級電容中的電能經(jīng)由VD1流向負(fù)載側(cè)。圖中虛線為變換器內(nèi)電流流向，實線為外部電能流向。

圖3 升壓模式下超級電容放電電流流向圖Fig.3 Direction of super-capacitor discharging current in Boost mode

2 基于磁集成結(jié)構(gòu)的DC-DC變換器

常見的磁性元件，如電感，是能量轉(zhuǎn)換與濾波、儲能和電氣隔離方面的主要元件。磁性元件的大小是影響變換器體積和重量的主要因素。據(jù)統(tǒng)計，磁性元件的重量占變換器重量的30%～40%，體積占總體積的20%～30%，而在高頻工作和模塊化設(shè)計中，磁性元件占比更高。磁性元件的損耗影響變換器的效率。磁性元件的寄生參數(shù)對開關(guān)管的電壓、電流應(yīng)力有很大的影響。

為了減小磁性元件的體積、重量，改善濾波性能，通常采用提高頻率的辦法，但高頻率下有如下缺陷：頻率提高會受到整機(jī)效率的限制；磁芯的利用率低，磁體體積大。

采用磁集成技術(shù)不但能夠減小磁性元件的體積、重量，還能減小電流紋波，降低磁性元件損耗，改善電源動態(tài)性能，對提高電源的性能及功率密度有重要意義。

圖1中開關(guān)VT3、電感L1與二極管VD3構(gòu)成一個升壓變換器，保持外加電容Ca的循環(huán)電流，使Ca保持與負(fù)載側(cè)電壓一致，由于耦合電感之間的互感影響，在電感L1上產(chǎn)生互感電壓以及少量的電能，電能儲存于電容Ca中。如圖1所示，穩(wěn)態(tài)時，在不考慮電容電壓脈動的情況下，Ca上電壓與輸出電壓相等，所以電感L2與電感L1上的電壓滿足電壓成比例的條件，電感集成能減小輸出電流脈動，合理設(shè)計參數(shù)可實現(xiàn)輸出零紋波。

表1為磁集成結(jié)構(gòu)的磁件與2個分立電感的體積和重量比較，可知，磁集成結(jié)構(gòu)表面積減少約25.39%，磁芯體積減少約23.60%，磁芯重量減少約25%，整體重量減少13.33%，成本減少約23.60%。

表1 磁集成結(jié)構(gòu)與分立電感比較Table 1 Comparison between integrated magnetic structure and discrete inductors

2.1 電感耦合模型

圖4為電感耦合模型。

圖4 電感耦合模型Fig.4 Model of inductive coupling

由圖4有如下公式：

其中，L1和L2為每個繞組的自感；M為互感。

上述公式還可以表示為：

2.2 超級電容模型

圖5為超級電容的等效模型，由內(nèi)阻RS、CUC與并聯(lián)電阻RP組成，RP反映自放電電阻，是唯一能有效反映超級電容的長期能源儲存條件的參數(shù)。在運行時內(nèi)阻是可以忽略的。超級電容的充電狀態(tài)SOC（State Of Charge）為其瞬時端子電壓UUC與額定電壓UUC-N的比值：

圖5 超級電容模型Fig.5 Model of super-capacitor

3 控制策略

選用MOSFET作為DC-DC變換器的元件和一對電感相結(jié)合，作為電力驅(qū)動設(shè)備與超級電容儲能系統(tǒng)之間的連接。

級聯(lián)電壓與電流控制器是作為超級電容控制器的首選，這主要是因為當(dāng)電源供給平均負(fù)載電壓時，超級電容可以保持直流負(fù)載母線側(cè)的電壓。這樣可以確保在制動過程中，超級電容在直流母線側(cè)電壓顯著增加時，可以快速響應(yīng)，再生制動。圖6為超級電容級聯(lián)電壓與電流控制器的控制框圖。圖中，Udc為直流側(cè)實際電壓；Udc-N為直流側(cè)額定電壓；為超級電容電流標(biāo)幺值；iUC-N為超級電容額定電流；fs為開關(guān)頻率；G1，2為開關(guān) VT1、VT2的通斷信號。

圖6 超級電容級聯(lián)電壓與電流控制器的控制框圖Fig.6 Block diagram of cascaded voltage and current controller for super-capacitor control

在升壓模式下電感電流占空比的傳遞函數(shù)由下式定義：

其中，IL2（s）為 L2的電流；Udc為直流環(huán)節(jié)電壓；Cdc為直流環(huán)節(jié)電容；D為占空比。在頻率范圍內(nèi)，電感電流與母線電壓之間的關(guān)系可用下式表示：

此方案在控制方面與傳統(tǒng)方案相比更加簡潔，沒有采用過多的IGBT或者M(jìn)OSFET，在控制開關(guān)開斷上，無需運用太復(fù)雜的控制策略，既可以獲得很穩(wěn)定的運行效果，也能減少成本。

4 仿真與實驗分析

為測試本裝置的動態(tài)性能，以及是否能達(dá)到預(yù)想的效果，將在一個比較有代表性的電力驅(qū)動設(shè)備工作周期進(jìn)行仿真。仿真模型使用MATLAB中的Simulink、SimPowerSystems、ControlSystem Toolbox和Signal Processing Blockset工具。仿真系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)如下：直流環(huán)節(jié)額定電壓UDC-N=220 V，超級電容額定電壓 UUC-N=125 V，CDC=4400 μF，Ca=2200 μF，L1=8.11 mH，L2=550 μH，M=550 μH，開關(guān)頻率 fs=15 kHz，采樣時間 Tst=5 μs。

該仿真將對負(fù)載工作在重載、輕載、加速等工作狀態(tài)下，負(fù)載側(cè)電壓的穩(wěn)定性、電流波動和超級電容電壓進(jìn)行觀察。

如圖7所示，該儲能系統(tǒng)中超級電容的電流能很好地跟蹤負(fù)載電流，維持負(fù)載母線側(cè)電壓的穩(wěn)定。需要說明的是，加入磁集成結(jié)構(gòu)后，負(fù)載與超級電容電流的不同，是由于負(fù)載母線電壓與儲能設(shè)備之間端子電壓的不同。

如圖8所示，在負(fù)載變化時，總線電壓變化不超過額定電壓的3.33%，在系統(tǒng)啟動時，負(fù)載側(cè)電壓有一定的波動，很快進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，在投入實時變動的負(fù)載后，電壓有微小波動，有逐步下降趨勢，但總體穩(wěn)定在220 V以上，證明本裝置的可行性和良好的性能。

圖7 負(fù)載電流與超級電容電流波形Fig.7 Waveforms of load current and super-capacitor current

圖8 直流負(fù)載側(cè)電壓波形Fig.8 Voltage waveform at DC load side

圖9 負(fù)載階躍變化時負(fù)載、超級電容的電流實驗波形Fig.9 Experimental waveforms of load current and super-capacitor current during step change of load

圖9為在實驗中設(shè)置負(fù)載階躍變化，負(fù)載電流從0.8 A升高至1.52 A，作為對應(yīng)突然施加重載的情況下，負(fù)載和超級電容的電流實際變化圖。圖9（a）為磁集成變換器在負(fù)載階躍變化時負(fù)載側(cè)的輸出電流，電流波動很小，紋波占比小于6%。圖9（b）為采用普通DC-DC變換器和UPS在負(fù)載階躍變化時的負(fù)載側(cè)輸出電流，電流有明顯的突升突降狀況，且紋波占比超過10%。圖9（c）證明超級電容儲能系統(tǒng)在應(yīng)對重載和制動狀況有著優(yōu)良的處理能力。從圖中可以看出，t=3s時負(fù)載階躍上升，超級電容迅速響應(yīng)，短時內(nèi)多次大電流放電，補(bǔ)充負(fù)載側(cè)所需的電能；在t=7 s時負(fù)載階躍下降，超級電容回收制動能量，此時超級電容電流值為負(fù)值。

5 結(jié)論

本文結(jié)合了一種新型的磁集成結(jié)構(gòu)雙向DC-DC變換器，將其應(yīng)用在基于超級電容的儲能系統(tǒng)，用于改善輸入電力驅(qū)動設(shè)備的電能質(zhì)量。利用磁集成結(jié)構(gòu)良好的濾波性能和減小體積重量的特點，提高電力驅(qū)動設(shè)備工作穩(wěn)定性和效率，達(dá)到很好的效果，能夠廣泛應(yīng)用。同時利用超級電容再生制動，亦可作為重要電力驅(qū)動設(shè)備的備用電源，在節(jié)約能源的同時，提高供電穩(wěn)定性，降低設(shè)備自身損耗。通過仿真與實驗驗證了該方案優(yōu)于傳統(tǒng)裝置。