- 頭條學術簡報｜在負載擾動情況下，怎樣實現直流母線電壓的快速恢復？2019-07-15 作者：劉宿城、甘洋洋等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語安徽工業大學電氣與信息工程學院、安徽工業大學電力電子與運動控制重點實驗室、加拿大皇后大學電氣與計算機工程系的研究人員劉宿城、甘洋洋等，在2018年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“超級電容接口雙向DC-DC變換器的電壓快恢復控制策略”）指出，直流微網中控制母線電壓穩定是核心問題，在母線受到不同時間尺度的功率擾動時顯得尤為重要。針對直流母線瞬時功率不平衡問題，結合超級電容高功率密度特性，將電容電荷平衡控制思想引入超級電容接口雙向DC-DC變換器，以實現母線電壓在負載大擾動下的快速恢復。在現有單向電流DC-DC變換器的電容電荷平衡控制基礎上，將間接預測電容電流變化規律的思路進行擴展和優化，得出一般的節點電流替代法及相應的控制律，達到快速控制雙向DC-DC變換器的目的。給出了電容電荷平衡復合控制策略的具體實現過程，并利用平均電流模式控制和滯環電流限幅環節實現對接口變換器的雙端穩定控制。最后通過仿真和樣機實驗驗證了所提復合控制策略的有效性。
作為對集中式、遠距離輸電傳統電力系統的擴展和補充，直流微網（DC Microgrids）將具有直流耦合特性的分布式能源（Distributed Energy Resources, DER）、儲能系統（Energy Storage Systems, ESS）和現代電子負載集成為一個可控的整體。圖1所示為直流微網的典型配置，其中直流母線為能量匯集和功率交換的中間媒介。
由于光伏、風電等微源的功率間歇性和負載擾動會威脅母線電壓穩定，因此母線電壓成為評價直流微網電能質量的重要指標。已有研究表明，將ESS單元通過雙向DC-DC變換器連接至直流母線，在微源和負載之間形成能量緩沖器，可在一定程度上抑制母線電壓的波動，提高直流微網供電的可靠性。
通常對于分布式微源出力波動的抑制，要求ESS環節的響應時間尺度為秒至分鐘級，而對于負載擾動的抑制則要求ESS的響應時間尺度提高至毫秒級。直流微網發生負載大擾動時，需要ESS單元在母線側吞吐較高的瞬時功率，以快速補償母線上源荷兩側的瞬時功率差，防止母線電壓產生較高的瞬時過沖或跌落。
與蓄電池相比，超級電容器具有功率密度大、循環壽命長、充放電速度快等優點，對直流微網的瞬時功率平衡控制具有先天優勢。雙向DC-DC變換器作為接口變換器，允許超級電容在寬電壓范圍內工作，提高了其能量利用率和使用壽命，然而雙向變換器的動態性能卻影響著超級電容對母線電壓波動的響應時間。因此，如何提高雙向DC-DC接口變換器的動態性能，成為值得研究的重要問題。
圖1 直流微網的典型配置
非線性控制策略突破了傳統線性控制的帶寬限制，可從一定程度上改善DC-DC變換器的瞬態響應性能。目前大多數非線性控制是基于邊界控制理論，而切換面的選擇是邊界控制理論的核心問題。由于不同類型的控制器在調節時間和魯棒性等特性方面有很大差異，因此切換面的選擇是多樣的，典型的如滑模控制和滯環控制。
文獻[21,22]將滑模控制應用于控制雙向DC-DC變換器，使得系統在大信號下保持穩定且對系統的參數變化有很好的魯棒性，但卻存在輸出抖動和在切換面上開關頻率較高等問題。文獻[23,24]采用滯環控制實現對雙向DC-DC變換器的控制，具有控制簡單和魯棒性強等特點，但同樣存在輸出抖動和開關頻率抖動等問題。利用幾何面積法簡化切換面的復雜計算，進而得到近似的最優控制，典型的如時間最優控制。文獻[19,20]通過時間最優控制實現DC-DC變換器近似最佳的暫態響應，但開關面的選擇比較依賴變換器系統參數和容差，進而降低了控制器的魯棒性。
電容電荷平衡控制（Charge Balance Control, CBC）是一種基于電容電荷平衡原理的簡化時間最優控制，在一定程度上降低了對系統參數的依賴。目前，CBC的控制思想已被應用于控制單向DC-DC變換器。文獻[26,27]提出一種變結構電容電荷平衡控制策略，但根據控制邏輯來控制Buck變換器的電容電荷平衡輔助電路，存在反復切換的行為，增加了功率管的開關損耗。
文獻[28,29]將電容電荷平衡控制算法用于控制Buck變換器，在負載擾動時具有優良的動態響應特性。但由于控制策略基于電壓峰值點檢測，需要復雜的模擬檢測電路，控制算法缺乏通用性。文獻[30,31]在限制控制占空比的條件下，將電容電荷平衡控制算法分別擴展應用于Buck-Boost變換器和雙管正激變換器。但控制過程中開關管的動作次數增加，開關損耗增大。
文獻[32]提出一種基于電容電荷平衡控制的數字控制算法應用于Boost變換器，通過間接預測電容變化規律來達到研究電容電荷平衡的目的。該控制算法簡單且計算量少，適合數字控制實現，但控制對象僅針對單側輸出濾波電容電壓。
綜上所述，現有CBC的控制應用還局限于單向功率輸出的控制，僅針對輸出電壓單側調節。對于母線電壓快速恢復這一應用場合，當由超級電容的輸出功率控制切換到輸入功率控制時，作為控制對象的母線側電容將由輸出濾波電容變成輸入濾波電容，控制對象的角色發生改變，原有的幾何面積法以及相應的控制律也將不再適用。因而現有CBC控制無法直接運用于雙向DC-DC接口變換器的功率控制場合。
為了實現母線電壓快速恢復，解決瞬態功率不平衡帶來的母線電壓波動問題，本文擬通過提高與超級電容接口雙向DC-DC變換器的瞬態響應來解決。將文獻[32]控制單向電流的間接預測電容電流變化規律的思想進一步擴展和優化，得出更一般的節點電流替代法及相應的控制律，并達到控制雙向電流的目的，最終得到一種適用于雙向DC-DC變換器控制的CBC和傳統線性控制結合的復合控制策略，即：大擾動的暫態過程切換到相應的CBC控制，實現快速調節；小擾動過程采用增量式PID產生互補PWM波，其中線性PID控制可以保持良好的穩態控制精度，不存在輸出抖動問題，同時開關管的互補驅動又能夠實現較小暫態時雙向變換器兩種工作模式的平滑切換。實現功率雙向流動的同時能夠確保系統具有良好的動態性能。
本文首先分析CBC控制應用于雙向DC-DC變換器中存在的問題，然后給出雙向CBC控制策略的數學推導過程，接著闡述復合控制策略的實現步驟，最后通過仿真和200 W樣機實驗，驗證CBC復合控制策略的有效性。
圖14 CBC復合控制超級電容接口雙向DC-DC變換器的實驗測試平臺
結論
本文針對直流微網瞬時大信號負載擾動的控制需求，基于電容充放電平衡的思想，提出了一種用于超級電容接口雙向Buck-Boost變換器的CBC復合控制策略，并進行了仿真與實驗驗證，得到主要結論如下：
1）所提CBC復合控制策略能夠有效實現負載大擾動下母線電壓的快速恢復，并解決了模擬控制存在的不規則電流積分及多電壓峰值點檢測困難的問題。同時，CBC控制過程中開關管只動作兩次，在一定程度上減小了開關損耗，且開關頻率恒定。
2）通過適當選取電流參考方向，將兩種工作模式下電流的面積積分簡化為正向幾何面積求解，仿真與實驗驗證了電流面積估算和新穩態電流值預測方法的有效性。將間接預測電容電流變化規律的思想進行擴展和優化，得出一般的節點電流替代法及具有相似對稱的控制律，兩種工作模式下采用統一的數字控制器。
3）在互補PWM輸出控制的基礎上，結合平均電流模式控制和滯環電流限幅環節實現接口變換器穩態的雙端口穩定控制，能夠在穩定母線電壓的同時兼顧超級電容的過電壓欠電壓保護以及最大持續工作電流限幅。
