適用于超級(jí)電容的雙向變換器模糊PI控制策略

高曉芝 姜楓 高帆

摘 要：針對(duì)直流微網(wǎng)中超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，提出了一種基于模糊PI控制的雙向DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制方法。首先分析了雙向變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)管使用移相控制，利用模糊PI控制環(huán)節(jié)，降低超級(jí)電容端電壓波動(dòng)，提高了超級(jí)電容充放電的效率，使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定。運(yùn)用matlab/Simulink搭建仿真模型，與其他控制方法進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：隔離型變換器；超級(jí)電容；雙閉環(huán)控制；模糊PI控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.126

0 引言

超級(jí)電容作為一種新型儲(chǔ)能元件，它的功率密度高，儲(chǔ)能速度快，儲(chǔ)能過(guò)程可逆，超級(jí)電容儲(chǔ)能能夠穩(wěn)定微網(wǎng)中負(fù)載功率的高頻分量[1，2]。而雙向DC/DC變換器是電力電子能量轉(zhuǎn)換的重要器件，可以實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)的不同供電系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換，也是實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換的重要器件。由于隔離型雙向DC/DC變換器各器件電流、電壓應(yīng)力小，能量傳遞效率高，適用于中高功率的場(chǎng)合[3]。因此本文采用隔離型雙向DC/DC變換器進(jìn)行超級(jí)電容儲(chǔ)能的研究。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)互補(bǔ)PWM控制技術(shù)控制雙向變換器，應(yīng)用功率前饋與雙閉環(huán)相結(jié)合的方法來(lái)解決直流母線電壓波動(dòng)的問(wèn)題。文獻(xiàn)[5-6]基于直接功率控制方法，提出一種負(fù)載電流前饋控制方法，驗(yàn)證了負(fù)載突變對(duì)變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[7-8]對(duì)多端口電源系統(tǒng)中雙向變換器，采用分段PI調(diào)節(jié)和滑膜控制結(jié)合的雙閉環(huán)控制，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制策略的可行性。

結(jié)合上述研究，本文提出了一種適用于超級(jí)電容儲(chǔ)能，使用隔離型雙向DC/DC變換器應(yīng)用模糊PI控制的電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，首先分析了隔離型雙向變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)于雙向轉(zhuǎn)換器這種非線性時(shí)變系統(tǒng)，需要模糊PI對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減小超級(jí)電容端電壓在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容快速充放電控制。

1 適用于超級(jí)電容的隔離型雙向DC/DC變換器模糊PI控制策略

1.1 雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本研究采用隔離型雙向DC/DC變換器的電路結(jié)構(gòu)作為超級(jí)電容器的充放電電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

變換器是通過(guò)移相控制Q1～Q8這8個(gè)IGBT的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。為了便于分析，我們將超級(jí)電容簡(jiǎn)化為R-C串聯(lián)的簡(jiǎn)單模型。

在buck模式下，通過(guò)控制Q1～Q4的導(dǎo)通，使每個(gè)橋臂的兩個(gè)功率管成180°互補(bǔ)導(dǎo)通，Q1和Q3超前Q2和Q4一個(gè)相位，將能量?jī)?chǔ)存在儲(chǔ)能電感Lr中，通過(guò)變壓器將能量傳到低壓側(cè)，從而給超級(jí)電容端Vs充電。

在boost模式下，通過(guò)控制的導(dǎo)通，使同一橋臂上兩功率管導(dǎo)通時(shí)間交錯(cuò)180°，即對(duì)角的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)四個(gè)管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，超級(jí)電容給儲(chǔ)能電感Lf充電，兩對(duì)晶閘管的交錯(cuò)導(dǎo)通將能量通過(guò)變壓器傳遞到高壓側(cè)Vb，從而完成超級(jí)電容的放電。

1.2 基于雙閉環(huán)的模糊PI控制分析

在雙向DC/DC變換器的移相控制基礎(chǔ)上，采集變換器的輸出電壓Vs與電感電流I*，將輸出電壓Vs與參考值比較得到偏差值e與偏差變化率ec，經(jīng)過(guò)模糊控制器得到PI控制器Kp和Ki修正值，通過(guò)電壓PI控制器得到電感電流參考值Iref，與變換器實(shí)際電感電流I* 比較得到差值通過(guò)PI電流控制器，從而控制PWM移相時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向變換器的控制?？刂瓶驁D如圖2所示。

設(shè)定模糊PI輸入輸出的基本論域?yàn)閇-6，6]，變量的語(yǔ)言取值為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分別代表著正大、正中、正小、零、負(fù)小、負(fù)中、負(fù)大。

對(duì)于模糊控制的隸屬度函數(shù)，采用計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單的三角函數(shù)，得到了輸出變量的模糊控制規(guī)則，如表1：

電壓環(huán)模糊PI控制和電流環(huán)PI控制結(jié)合的控制策略，能夠根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)改變系統(tǒng)參數(shù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效提高電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)的效率，控制電流大小，從而有效保護(hù)電路器件。

2 仿真驗(yàn)證

隔離型雙向DC/DC變換器有兩種工作狀態(tài)，buck模式下由直流母線對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電，能量由高壓側(cè)向低壓側(cè)流動(dòng)，boost模式下由超級(jí)電容進(jìn)行放電，能量由低壓側(cè)向高壓側(cè)流動(dòng)，此處我們采用matlab/simulink進(jìn)行兩種模式仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)參數(shù)如下：DC=350V，Lr=420μH，Lf=200μH，Cs=420μF。模糊PI控制仿真圖如圖3。

圖4、圖6為傳統(tǒng)PI控制器控制雙向DC/DC變換器充放電圖，可以看出升壓過(guò)程中電壓有較大的峰值波動(dòng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢，當(dāng)電壓趨于穩(wěn)定后還是有穩(wěn)態(tài)波動(dòng)，紋波較多。

圖5、圖7為模糊PI控制器下，雙向DC/DC充放電圖，相比于傳統(tǒng)PI控制器的控制結(jié)果，可以看出模糊PI控制器能更好解決系統(tǒng)非線性穩(wěn)定性問(wèn)題，在電壓上升過(guò)程中，具有很好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，沒(méi)有明顯的震蕩情況，能夠更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)誤差也相對(duì)于傳統(tǒng)PI有了明顯的改善。

3 結(jié)論

本文針對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能運(yùn)用了一種隔離型雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了模糊PI電壓環(huán)和PI電流環(huán)雙閉環(huán)控制策略，仿真分析了雙向DC/DC變換器在buck、boost模式下的工作狀況，以及雙閉環(huán)控制下超級(jí)電容充放電狀態(tài)。通過(guò)仿真結(jié)果，可以看出雙向DC/DC變換器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，模糊PI控制有效提高了超級(jí)電容的充放電穩(wěn)定性，使其具有較短的響應(yīng)時(shí)間，超級(jí)電容可以很好的作為儲(chǔ)能裝置。

參考文獻(xiàn)：

[1]謝本建，徐平，許錦蘭等.直流供電系統(tǒng)中超級(jí)電容應(yīng)用研究[J].電氣技術(shù)，2017（12）：122-125.

[2]張純江，董杰等.蓄電池與超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014，29（04），334-340.

[3]黃杰，于慶廣.基于能源路由器的隔離雙向DC-DC變換器研究[J].電源技術(shù)，2017，41（02）：301-304.

[4]張國(guó)駒，唐西勝，周龍等.基于互補(bǔ)PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級(jí)電容器儲(chǔ)能中的應(yīng)用[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31

（06）：15-21.

[5]侯聶，宋文勝，武明義.雙向全橋DC-DC變換器的負(fù)載電流前饋控制方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（09）：2478-2485.

[6]Ohnishi T. Three phase PWM converter/inverter by means of

instantaneous active and reactive power control[C]. Proceedings IEEE Industrial Electronics，Control and Instrumentation Conference.Kobe，Japan：IEEE，1991：819-824.

[7]馮興田，萬(wàn)滿滿等.基于儲(chǔ)能的雙向DC/DC變換器電源系統(tǒng)控制策略[J].電力電子技術(shù)，2017，51（07）：8-10.

[8] Kristof Engelen，Sven De Breucker，Peter Tant，et al. Gain Scheduling Control of a Bidirectional DC/DC Converter With Large Dead-time[J].Power Electronics，2014，7（03）：480-488.

基金項(xiàng)目：河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（QN2015089）

作者簡(jiǎn)介：高曉芝（1981-），女，河北曲陽(yáng)人，博士，講師，研究方向：直流微網(wǎng)控制及電能質(zhì)量改善。