樓宇直流微網(wǎng)用直流母線功率分級控制的新型多輸入直流變換器研究

易靈芝，范明輝，李衛(wèi)平，李濟君，李　果

（1.智能計算與信息處理教育部重點實驗室（湘潭大學(xué)），湘潭411105；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換2011協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭411101；3.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣州516007）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．35中圖分類號：TM 932文獻標(biāo)志碼：A

樓宇直流微網(wǎng)用直流母線功率分級控制的新型多輸入直流變換器研究

易靈芝1，2，范明輝1，2，李衛(wèi)平3，李濟君1，2，李果1，2

（1.智能計算與信息處理教育部重點實驗室（湘潭大學(xué)），湘潭411105；2.湖南省風(fēng)電裝備與電能變換2011協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭411101；3.惠州學(xué)院電子科學(xué)系，廣州516007）

針對傳統(tǒng)多輸入變換器存在的輸入/輸出電壓反極性、分布式能源匯集結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出一種新型多輸入直流Buck-Boost變換器，有效實現(xiàn)樓宇直流微網(wǎng)中的風(fēng)光混合供電，且將蓄電池直接嵌入變換器中，減小體積和降低成本。該變換器具有電路拓?fù)浜啙?、可實現(xiàn)升/降壓、輸入/輸出電壓同極性、各種分布式輸入源可單獨或同時向負(fù)載供電、蓄電池能根據(jù)負(fù)載功率變化吸收或釋放功率等優(yōu)點。以三輸入為例分析了變換器的工作模式、推導(dǎo)其輸入輸出特性、提出基于直流母線功率的分級控制實現(xiàn)能量管理。通過Matlab/Simulink平臺的仿真實驗驗證了該變換器的可行性和控制策略的有效性。

Buck-Boost變換器；直流樓宇微網(wǎng)；分布式電源；功率分級控制

Project Supported by National Natural Science Foundation of China“Multi-resource intelligent complementary building DC micro-grid dynamic optimization project research based on automatic demand response”（61572416）；Hunan Provincial Education Department Platform Project“Research on key technology of manufacturing for small power switched reluctance wind power generator”（14K095）；Key Disciplines of Hunan Province“Information and Communication Engineering”in“Twelfth Five Year Plan”.

引言

微網(wǎng)將分布式電源、負(fù)荷和儲能裝置結(jié)合為一個獨立的整體，通過控制策略的靈活性實現(xiàn)并網(wǎng)運行和孤島模式的平滑切換，能高效地發(fā)揮分布式電源的價值與效益。樓宇成為世界最大耗能用戶之一，已得到全球的高度關(guān)注。在樓宇直流微網(wǎng)中，多輸入直流變換器MIC（multiple-input converter）能將多種分布式輸入源和負(fù)載連接在一起，實現(xiàn)樓宇內(nèi)各分布式電源混合供電［1-4］。

近年來，MIC越來越得到國內(nèi)外學(xué)者的重視。文獻［5］提出的雙輸入Buck變換器，結(jié)構(gòu)簡單，輸入源既可單獨也可同時向負(fù)載供電，但只能用于降壓場合；文獻［6］將多輸入升壓變換器能大幅提高升壓能力，但只適用于升壓場合；文獻［7］將雙輸入反激DC/DC變換器通過變壓器實現(xiàn)電氣隔離，并解決傳統(tǒng)Buck-Boost變換器輸入輸出極性倒置的問題，但只適合于小功率場合；文獻［8］將多輸入Buck-Boost變換器實現(xiàn)電氣隔離，但存在電壓鉗位，只允許一種輸入源向負(fù)載供電；文獻［9］中三輸入Buck-Boost變換器實現(xiàn)能量雙向流動，但雙電感體積較大。在光伏發(fā)電、開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電混合供電和蓄電池儲能的樓宇直流微網(wǎng)中，提出一種新型單電感多輸入非隔離Buck-Boost直流變換器，實現(xiàn)多種互補能源單獨或同時向負(fù)載供電，通過蓄電池充/放電自動適應(yīng)負(fù)載功率變化，維持負(fù)載工作穩(wěn)定，并能解決傳統(tǒng)Buck-Boost電路的極性倒置問題［10-15］。

1　工作模式

單電感三輸入非隔離Buck-Boost變換器的主電路拓?fù)湟妶D1，其中包括3個模式變換開關(guān)（S4、S5、S6）和3個輔助開關(guān)（S1、S2、S3），輸入源V1、V2和Vb，3個導(dǎo)向二極管D1、D2、D3。為簡化分析，假設(shè)所有開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想器件，開關(guān)管開關(guān)頻率的相同，儲能電感足夠大，電感電流工作在電流連續(xù)模式。

圖1　單電感三輸入非隔離Buck-Boost變換器拓?fù)銯ig.1 Three-input single-inductor non-isolated Buck-Boost converter topology

1.1模式I

模式I：開關(guān)管S4和S5斷開，光、風(fēng)、蓄3輸入源V1、V2和Vb向負(fù)載供電。穩(wěn)態(tài)波形及等效電路如圖2所示，穩(wěn)態(tài)波形見圖2（a）。

圖2　模式I穩(wěn)態(tài)波形及等效電路Fig.2 Mode I steady-state waveforms and equivalent circuits

（1）開關(guān)狀態(tài)I：S1、S2、S3導(dǎo)通，D1、D2、D3反向偏置。等效電路如圖2（b）所示。此時，S6導(dǎo)通，V1、V2和Vb向電感L充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、Vb、S3、V2、S2、L、S6組成回路，電感電流增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，即有

（2）開關(guān)狀態(tài)II：S3關(guān)斷，S1、S2導(dǎo)通，D1、D2反向偏置。等效電路見圖2（c）。此時，S6導(dǎo)通，V1和V2向電感L充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、D3、V2、S2、L、S6組成回路，電感電流增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，即有

（3）開關(guān)狀態(tài)III：S2、S3關(guān)斷，S1導(dǎo)通，D1反向偏置；S6導(dǎo)通，V1向電感L充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、D3、D2、L、S6組成回路，電感電流繼續(xù)增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，則有

（4）開關(guān)狀態(tài)IV：S1、S2、S3關(guān)斷，等效電路見圖2（e）。電感L放電給電容C和負(fù)載R，此時有

1.2模式II

模式II：光、風(fēng)2個輸入源V1、V2同時向負(fù)載供電，冗余功率給蓄電池充電。模式II穩(wěn)態(tài)波形及等效電路如圖3所示。穩(wěn)態(tài)波形見圖3（a）。

（1）開關(guān)狀態(tài)I：S1、S2導(dǎo)通，D1、D2反向偏置，S6導(dǎo)通，等效電路見圖3（b）。V1、V2向電感L充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、D3、V2、S2、L、S6組成回路，電感電流增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，則有

（2）開關(guān)狀態(tài)II：開關(guān)S1、S2、S4、S5導(dǎo)通，D1、D2反向偏置，等效電路見圖3（c）。V1、V2向電感L和蓄電池充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、D3、V2、S2、L、S4、Vb、S5組成回路，電感電流繼續(xù)增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，則有

圖3　模式II穩(wěn)態(tài)波形及等效電路Fig.3 Mode II steady-state waveform and equivalent circuit

（3）開關(guān)狀態(tài)III：S1、S4、S5導(dǎo)通，D1反向偏置，等效電路見圖3（d）。V1向電感L和蓄電池充電，電感電流iL經(jīng)V1、S1、D3、D2、L、S4、Vb、S5組成回路，電感電流繼續(xù)增加。同時，電容C放電給負(fù)載R，則有

（4）開關(guān)狀態(tài)IV：S1、S2、S3、S4、S5、S6斷開，等效電路見圖3（e）。電感L向電容C和負(fù)載R放電，則有

1.3變換器特性分析

在模式I中，分析電感L伏秒平衡，有

在模式II中，電感L伏秒平衡分析，有

式中：D2～D6分別為開關(guān)管S1～S6的占空比；V1、V2、V3分別為風(fēng)、光、蓄輸入源電壓。

由此可見，輸出電壓大小與負(fù)載無關(guān)，只與S1、S2、S3、S4、S5、S6占空比有關(guān)，S4與S5同時導(dǎo)通或關(guān)斷，輸入/輸出電壓極性相同?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)這6個開關(guān)的占空比得到所需的輸出電壓和輸出電流。

1.4多輸入變換器拓?fù)渫卣?/p>

圖4　單電感多輸入非隔離Buck-Boost變換器拓?fù)銯ig.4 Multi-input single-inductor non-isolated Buck-Boost converter topology

2　三輸入直流變換器控制策略

2.1母線功率分級控制策略

將樓宇直流微網(wǎng)母線功率分為4個等級，依據(jù)各輸入源的輸出功率和負(fù)載功率、母線功率與輸入功率關(guān)系，調(diào)節(jié)變換器的4種運行模式，通過功率分級控制實現(xiàn)對微網(wǎng)內(nèi)微源和儲能源的控制。直流樓宇微網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖如圖5所示。

每個微源對應(yīng)一個投切閾值：當(dāng)設(shè)定值低于該閾值時，微源保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)母線功率上升到閾值以上，此時母線功率處于下一功率等級，這個微源則投入工作，向負(fù)載進行供電。設(shè)PL為負(fù)載功率，Pr為變換器額定功率，L=1，2，3，4分別代表變換器運行在第1、2、3、4控制級，每個控制級采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)非線性控制。分級控制框圖如圖6所示。

圖6　分級控制框圖Fig.6 Block diagram of level control

等級1：當(dāng)0.81Pr＜PL＜1.21Pr時，PV、SRG向負(fù)載供電，蓄電池處于離線狀態(tài)。該控制等級下，正常負(fù)荷信號經(jīng)非門驅(qū)動得到S3、S4和S5的控制信號。輸出電壓反饋信號Vof與參考電壓Vo經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器比較放大后得到Ve，Ve與基準(zhǔn)電流I2疊加得到I′2，再與I2ref經(jīng)電流調(diào)節(jié)器比較放大后經(jīng)PWM電路得到了S2的控制信號，I′2與I2ref比較后再與I1疊加得到I′1，I′1與I1ref比較得到S1的控制信號，S1和S2控制信號經(jīng)邏輯或門得到S6的控制信號。

等級2：當(dāng)PL＜0.81Pr，即超輕負(fù)荷時，僅由PV單獨供電，并對蓄電池進行充電。等級2控制策略基本與等級4基本相同，不再贅述。

等級3：當(dāng)PL＞1.21Pr時，蓄電池向負(fù)載釋放功率，三個輸入源同時給負(fù)載供電。等級1控制策略基本與等級1相同，不再贅述。

等級4：當(dāng)PL＜0.81Pr時，PV和SRG供電，并對蓄電池進行充電。該控制等級下，輕載負(fù)荷判別脈沖信號經(jīng)非門驅(qū)動得到S3的控制信號。輸出電壓反饋信號Vof與參考電壓Vo經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器比較放大后得到Ve，Ve與基準(zhǔn)電流I1疊加得到I′1，I′1與I1ref比較放大得到S1的控制信號。I′1與I2疊加后得到I′2，I′2與I2ref比較后經(jīng)電流調(diào)節(jié)器比較放大后經(jīng)PWM電路得到了S2的控制信號。Ib與Ibref經(jīng)比較放大后與Ve疊加得到S6的控制信號。當(dāng)Ib較大時，得到S6的導(dǎo)通信號，經(jīng)非門再與Ve和I′b的誤差信號經(jīng)邏輯與門得到S4、S5的關(guān)斷信號；當(dāng)Ib較小時，得到S6的關(guān)斷信號，經(jīng)非門再與Ve和I′b的誤差信號經(jīng)邏輯與門得到S4、S5的導(dǎo)通信號。

資源類型：網(wǎng)頁、書籍、期刊、會議以及藥物、疾病和醫(yī)療設(shè)備數(shù)據(jù)，含全文；320萬記錄、8200種期刊（含2900種不在medline種的期刊）、2400萬會議紀(jì)要

3　仿真實現(xiàn)

在Matlab平臺上，搭建風(fēng)、光、蓄混合供電的樓宇直流微網(wǎng)仿真模型，如圖7所示，驗證新型三輸入Buck-Boost變換器拓?fù)浜涂刂撇呗钥尚行院陀行裕浞抡鎱?shù)如表1所示。

圖7　風(fēng)、光、蓄混合供電系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of wind，PV and battery hybrid power system

表1　輸入源及DC/DC變換器仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of input source and DC/DC converter

圖8　仿真波形Fig.8 Simulation waveforms

當(dāng)PL＞1.21Pr，負(fù)載功率Pload為2.2 kW且大于額定功率時，光伏發(fā)電和開關(guān)磁阻發(fā)電作為主輸入源，輔助電源蓄電池也向負(fù)載放電；當(dāng)PL＜0.81Pr，負(fù)載功率Pload為1.1 kW且小于額定功率時，光伏發(fā)電和開關(guān)磁阻發(fā)電作為主輸入源向負(fù)載供電，同時對蓄電池進行恒流充電；當(dāng)0.81Pr＜PL＜1.21P，負(fù)載功率Pload為1.7 kW時，V1、V2向負(fù)載供電，蓄電池不工作；當(dāng)PL較小，即PL=400 W時，由PV單獨進行供電，并對蓄電池進行充電。

從仿真結(jié)果可以看出，輸出電壓基本維持在220 V左右，在允許范圍內(nèi)（±10%）能夠維持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)荷突增/突降時，電壓會有短暫下降/上升，但能快速回到穩(wěn)定狀態(tài)。

4　硬件實驗

使用TMS320F280X系列DSP作為控制器，通過電流電壓雙閉環(huán)控制，設(shè)計應(yīng)用在樓宇直流微網(wǎng)中多輸入DC/DC變換器裝置，如圖9所示，證實拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性以及控制策略的有效性。主要輸入源V1和V2分別是太陽能光伏發(fā)電和開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電2種清潔能源，輸出電壓分別為V1=150～240 V，V2=180～300 V，備用輸入源V3是輸出電壓為380 V的蓄電池組。通過實驗室的直流開關(guān)電源模擬輸入源，測得實驗波形見圖10。圖10（a）為V1、V2同時供電（模式I）時的電感電壓、電流波形及輸出電壓實驗波形，圖（b）、圖（c）為V1、V2、Vb同時供電（模式II）開關(guān)管、電感電壓、電感電流及輸出電壓實驗波形，圖（d）為負(fù)荷突增突減輸出電壓和蓄電池電流實驗波形。當(dāng)負(fù)載為輕負(fù)荷時，由V1、V2同時供電，并對蓄電池進行恒流充電；當(dāng)負(fù)載為重負(fù)荷時，由V1、V2、Vb同時對負(fù)載供電，輸出電壓Vo會有短暫降低；當(dāng)負(fù)載負(fù)荷在正常范圍內(nèi)時，由V1、V2同時供電，輸出電壓Vo會有短暫升高，蓄電池處于掛起狀態(tài)。

從實驗波形可以看出，輸出電壓在允許范圍內(nèi)基本保持恒定。實驗波形與理論分析和仿真結(jié)果基本一致，驗證了理論分析的正確性。

圖9　多輸入DC/DC變換器實驗裝置Fig.9 Multi-input DC/DC converter experimental device

圖10　多輸入DC/DC變換器實驗波形Fig.10 Multi-input DC/DC converter experimental waveforms

5　結(jié)語

新型單電感非隔離多輸入直流Buck-Boost變換器，具有電路拓?fù)浜啙?、可實現(xiàn)升降壓、輸入輸出電壓同極性、各種分布式輸入源可單獨或同時向負(fù)載供電等優(yōu)點，能有效實現(xiàn)樓宇微網(wǎng)中的風(fēng)光蓄混合供電，體積小，成本低。根據(jù)負(fù)載功率的變化，采用基于母線功率分級控制該變換器的3種運行模式，都能保持輸出電壓和功率的穩(wěn)定，輸入輸出特性良好，為構(gòu)建樓宇直流微網(wǎng)提供理論指導(dǎo)。

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Energy Management of MIC Building DC Micro-grid on DC Link Power Level Control

YI Lingzhi1，2，F(xiàn)AN Minghui1，2，LI Weiping3，LI Jijun1，2，LI Guo1，2
（1.Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing，Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China；2.Hunan Province Wind Power Equipment and Power Conversion 2011 Collaborative Innovation Center. Xiangtan 411105，China；3. Department of Electronic Science，Huizhou University，Guangzhou 516007，China）

Aiming at the problem for reverse polarity of input and output voltage in traditional multi-inputs converter，and complex structure in the distributed energy collection，a new multiple-inputs Buck-Boost converter is proposed for building DC micro-grid，which wind-solar hybrid power supply is effectively realized，battery is embed in converter directly，so the volume can be reduced and the cost is lower. It has many advantages，such as simple circuit topology，Boost and Buck，the same polarity of input and output voltage，and the power supply of input source alone or simultaneously，and the battery absorb or release power according to the changes of load. A three-input Buck-Boost DC/DC converter is analyze for its operating modes，input/ output characteristics were derived，and DC link power level control is proposed to energy management. The experiment results on Matlab/Simulink platform verify the feasibility of theoretical analysis and the correction of new control strategy.

Buck-Boost converter；DC building micro-grid；distributed power；power level control

易靈芝

2015-08-04

國家自然科學(xué)基金項目“基于自動需求響應(yīng)的多功能互補智能樓宇全直流微網(wǎng)動態(tài)優(yōu)化”（61572416）；湖南省教育廳平臺項目“小功率新型開關(guān)磁阻風(fēng)力發(fā)電裝備中關(guān)鍵技術(shù)研究”（14K095）；湖南省“十二五”重點學(xué)科“信息與通信工程”資助項目。

易靈芝（1966-），女，碩士，教授，研究方向：交流調(diào)速與電力電子裝置，新能源發(fā)電與直流微網(wǎng)等，E-mail：450337856@qq. com。

范明輝（1990-），男，通信作者，碩士，研究方向：新能源風(fēng)力發(fā)電，E-mail：11725 64549@qq.com。

李衛(wèi)平（1965-），女，碩士，副教授，研究方向：計算機控制，E-mail：bright5688@ 126.com。

李濟君（1989-），男，碩士研究生，研究方向：新型功率變換器，E-mail：157255841 @qq.com。

李果（1991-），男，碩士研究生，研究方向：混合電動汽車，E-mail：475844283@qq. com。