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成功案例分享：大連海事大學(xué)-儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器自適應(yīng)充放電無縫切換策略（牛淼）
發(fā)布時(shí)間：
2020-12-10 16:24
來源：
原創(chuàng)
感謝大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 張勤進(jìn)，牛淼，劉彥呈，曾宇基，陳龍 團(tuán)隊(duì)供稿。
祝賀該團(tuán)隊(duì)近期采用基于yxspace半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器自適應(yīng)充放電無縫切換策略的算法驗(yàn)證，該成果成功發(fā)表于《電測與儀表》，引用格式如下：
張勤進(jìn)，牛淼，劉彥呈，曾宇基，陳龍．儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器自適應(yīng)充放電無縫切換策略．電測與儀表.
https://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1202.th.20201119.1552.006.html
研究主要內(nèi)容為：
該研究以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)、直流微電網(wǎng)為背景、儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器為研究對像，提出了一種充放電無縫切換控制策略。該策略可根據(jù)母線電壓大小進(jìn)行自適應(yīng)充放電切換，進(jìn)而維持母線電壓穩(wěn)定。引入了非線性無縫電流內(nèi)環(huán)，通過非線性fal函數(shù)改造PI控制器，改善了雙向DC/DC變換器動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)平滑無沖擊的充放電無縫切換，算法簡易，便于實(shí)現(xiàn)，該項(xiàng)研究通過仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)對照，驗(yàn)證了所提控制策略的有效性與優(yōu)越性。
PART 01：直流微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定問題
在直流微電網(wǎng)中，分布式電源的輸出功率不穩(wěn)定、負(fù)載投切與微源間能量交換等現(xiàn)象均會(huì)導(dǎo)致母線電壓波動(dòng)， 嚴(yán)重時(shí)威脅系統(tǒng)的安全。通過引入儲(chǔ)能單元作為能量緩沖裝置可維持母線電壓的穩(wěn)定。儲(chǔ)能模塊需要通過雙向 DC/DC 變換器與直流母線相連，故雙向 DC/DC 變換器的性能對直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定起著至關(guān)重 要的作用。
圖1 直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
PART 02：雙向DC-DC無縫切換
在充放電切換過程中，雙向 DC/DC 變換器應(yīng)保證 較短的切換時(shí)間與較小的沖擊電流，即平滑過渡無沖擊的無縫切換，進(jìn)而維持母線電壓穩(wěn)定。雙向 DC/DC 變換器具有非線性特征，傳統(tǒng)的線性誤差反饋控制器 較難取得理想的控制效果，其動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度較慢，甚 至當(dāng)電路參數(shù)變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)混沌或分岔等非線性現(xiàn)象。此外，直流微電網(wǎng)存在電壓變化范圍大與負(fù)載非線性 等特征，故應(yīng)對雙向 DC/DC 變換器使用非線性控制策略，提高其動(dòng)態(tài)性能。
圖2 儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)圖
PART 03：充放電切換控制策略
研究以工程應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)、直流微電網(wǎng)為背景、 雙向 DC/DC 變換器為研究對像，提出一種充放電無縫切換控制策略。該策略可根據(jù)母線電壓大小進(jìn)行自適應(yīng)充放電切換，進(jìn)而維持母線電壓穩(wěn)定。引入了非線性無縫電流內(nèi)環(huán)，通過非線性 fal 函數(shù)改造 PI 控制器，改善了雙向 DC/DC 變換器動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)平滑無沖擊的充放電無縫切換。
研究中采用的雙向 DC/DC 變換器的充放電控制策略為自適應(yīng)電壓外環(huán)和非線性無縫電流內(nèi)環(huán)構(gòu)成。
圖3 控制策略結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)母線電壓大小分為空閑、放電與充電等 3 種工作模式，自適應(yīng)電壓外環(huán)通過判斷電壓大小進(jìn)行 自適應(yīng)模式切換，進(jìn)而調(diào)節(jié)電流設(shè)定值 ，且可通過判斷蓄電池電壓防止過充過放?；诜蔷€性 fal 函數(shù)的非線性無縫電流內(nèi)環(huán)則通過判斷誤差反饋大小自適應(yīng)地修改 PI 參數(shù)，使系統(tǒng)快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，緩解了傳統(tǒng) PI 控制器在快速性與超調(diào)之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)充放電無縫切換。
3.1 自適應(yīng)電壓外環(huán)
電壓外環(huán)的首要任務(wù)是根據(jù)母線電壓大小控制儲(chǔ)能單元進(jìn)行充放電切換。在實(shí)際微電網(wǎng)運(yùn)行中，母線電壓會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，而非嚴(yán)格維持在額定值。傳統(tǒng)的儲(chǔ)能單元控制策略通過比較母線電壓與額定值的高低關(guān)系進(jìn)行充放電切換，然而，母線電壓的小范圍波動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)能單元頻繁充放電切換，降低其使用壽命。為防止雙向 DC/DC 變換器的充放電頻繁切換，將雙向DC/DC 變換器分為充電、放電與空閑 3 種工作模式。
圖4 工作模式選擇原理圖
當(dāng)母線電壓處于穩(wěn)定范圍內(nèi)，儲(chǔ)能單元處于空閑模式，既不充電也不放電；若低于下限值，則儲(chǔ)能放電，防止母線電壓跌落；若高于上限值，則儲(chǔ)能充電。通過改變可變限幅器幅值，防止蓄電池過充過放。
圖5 空閑模式控制框圖
圖6 充電模式控制框圖
圖7 放電模式控制框圖
3.2 非線性無縫電流內(nèi)環(huán)
為緩解傳統(tǒng) PI 控制器的快速性與穩(wěn)定性固有矛盾， 實(shí)現(xiàn)可借鑒“大誤差，小增益；小誤差，大增益”的非線性思想。利用 fal 函數(shù)構(gòu)造非線性 PI 電流控制器， 其比例、積分反饋系數(shù)隨著誤差大小而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，進(jìn)而較好地滿足了快速性與穩(wěn)定性的平衡需求，提高充放電切換的動(dòng)態(tài)性能。在此基礎(chǔ)上，通過引入微分跟蹤器（Tracking Differentiator, TD）平滑過渡電流給定值，防止系統(tǒng)控制效果超調(diào)。最終，在相同比例積分控制參數(shù)下，縮短切換時(shí)間與減小母線電壓超調(diào)，即平滑過渡無沖擊的無縫切換。
圖8 電流內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖
PART 04：仿真案例
4.1、母線電壓跌落仿真案例
模擬分布式電源輸出功率降低導(dǎo)致母線電壓跌落的工況。時(shí)段 1，直流母線電壓為額定值 400 V，雙向 DC/DC 變換器為空閑模式。時(shí)段 2，直流母線電壓跌落，儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器切換為放電模式，以-9 A 放電維持直流母線電壓為放電臨界值380 V。時(shí)段 3，母線電壓恢復(fù)為額定 400 V，儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器恢復(fù)為空閑模式。
圖9 電感電流與母線電壓波形
母線電壓跌落工況下，當(dāng)采用傳統(tǒng) PI 電流環(huán)時(shí)，0.5 s 時(shí)刻經(jīng) 0.15 s 超調(diào)時(shí)間產(chǎn)生 7.8 V 電壓超調(diào)量，1 s 時(shí)刻產(chǎn)生 2.6 A 電流超調(diào)量；當(dāng)采用非線性無縫電流內(nèi)環(huán)時(shí)，0.5 s 時(shí)刻經(jīng) 0.06 s 超調(diào)時(shí)間產(chǎn)生 3.1 V 電壓超調(diào)量，1 s 時(shí)刻產(chǎn)生 0.03 A 電流超調(diào)量。在母線電壓跌落工況下，非線性無縫電流內(nèi)環(huán)相較于傳統(tǒng) PI 電流內(nèi)環(huán)過渡時(shí)間更短與超調(diào)量更小。
4.2、母線電壓陡升仿真案例
模擬分布式電源功率增大導(dǎo)致母線電壓陡升工況。時(shí)段 1，母線電壓為額定值 400 V， 雙向 DC/DC 變換器為空閑模式。時(shí)段 2，母線電壓上升至充電臨界值 420 V，雙向 DC/DC 變換器切換為充電模式，以+10 A 電流充電。時(shí)段 3，母線電壓恢復(fù)為額定值 400 V，雙向 DC/DC 變換器恢復(fù)為空閑。
圖10 電感電流與母線電壓波形
母線電壓陡升工況下，當(dāng)采用傳統(tǒng) PI 電流內(nèi)環(huán)時(shí)，0.5 s 時(shí)刻的模式切換時(shí)間為 0.07 s；當(dāng)采用非線性無縫電流內(nèi)環(huán)時(shí)，0.5 s 時(shí)刻的模式切換時(shí)間為 0.02 s，且電壓過渡更加平滑。在母線電壓陡升工況下，非線性無縫電流內(nèi)環(huán)相較于傳統(tǒng) PI 電流環(huán)過渡時(shí)間更短與超調(diào)量更小。
4.3、母線電壓波動(dòng)仿真案例
模擬了分布式電源隨機(jī)性導(dǎo)致的母 線電壓波動(dòng)工況。時(shí)段 1，母線電壓為額定值 400 V，雙向 DC/DC 變換器為空閑模式。時(shí)段 2，直流母線電壓跌落，雙向 DC/DC 變換器切換為放電模式，以-9 A 放電維持直流母線電壓為臨界值 380 V。時(shí)段 3，直流母線電壓恢復(fù)為額定值 400 V，雙向 DC/DC 變換器恢復(fù)為空閑模式。時(shí)段 4，直流母線電壓上升至充電臨界值 420 V，儲(chǔ)能雙向 DC/DC 變換器變?yōu)槌潆娔Ｊ?，?10 A 從直流母線側(cè)吸收能量。時(shí)段 5，直流母線電壓恢復(fù)為額定值 400 V，雙向 DC/DC 變換器恢復(fù)為空閑模式。
圖11 電感電流與母線電壓波形
母線電壓波動(dòng)工況下，當(dāng)采用傳統(tǒng) PI 電流內(nèi)環(huán)時(shí)，在 2.0 s 時(shí)刻經(jīng) 0.15 s 切換時(shí)間產(chǎn)生 7.8 V 電壓超調(diào)，在 4.0 s 時(shí)刻產(chǎn)生 2.6 A 電流超調(diào)，在 6.0 s 時(shí)刻模式切換時(shí)間為 0.07 s，在 8.0 s 時(shí)刻的工作模式切換時(shí)間為 0.05 s；當(dāng)采用非線性無縫電流內(nèi)環(huán)時(shí)，在 2.0 s 時(shí)刻經(jīng) 0.06 s 切換時(shí)間產(chǎn)生 3.1 V 電壓超調(diào)，在 4.0 s 時(shí)刻產(chǎn)生 0.03 A 電流超調(diào)，在 6.0 s 時(shí)刻模式切換時(shí)間為 0.02 s，在 8.0 s 時(shí)刻的模式切換時(shí)間為 0.02 s。在母線電壓波動(dòng)工況下，相較于傳統(tǒng) PI 電流環(huán)，非線性無縫電流內(nèi)環(huán)的過渡時(shí)間更短與超調(diào)量更小。
PART 05：實(shí)物驗(yàn)證
搭建了由可編程電源（模擬光伏源）、蓄電池、yxSPACE 與雙向 DC/DC 變換器等組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。
圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
圖13 實(shí)驗(yàn)電路原理圖
實(shí)驗(yàn) 1：母線電壓逐漸下降工況
通過調(diào)節(jié)模擬光伏輸出功率使得母線電壓經(jīng)歷“穩(wěn)定范圍→放電臨界值→穩(wěn)定范圍”過程，模仿母線電壓逐漸降低的工況，觀察儲(chǔ)能單元能否自適應(yīng)充放電切換
圖14 實(shí)驗(yàn)1波形圖
實(shí)驗(yàn) 2：母線電壓逐漸上升工況
通過調(diào)節(jié)模擬光伏功率使得母線電壓經(jīng)歷“穩(wěn)定范圍→充電臨界值→穩(wěn)定范圍”過程，模仿母線電壓逐漸上升的工況，觀察儲(chǔ)能單元能否自適應(yīng)充放電切換。
圖15 實(shí)驗(yàn)2波形圖
實(shí)驗(yàn) 3：母線電壓波動(dòng)工況
通過調(diào)節(jié)模擬光伏輸出功率，使得母線電壓經(jīng)歷“穩(wěn)定范圍→放電臨界值→穩(wěn)定范圍→充電臨界值→穩(wěn)定范圍”的過程，模仿母線電壓波動(dòng)工況，觀察儲(chǔ)能單元能否自適應(yīng)充放電切換。
圖16 實(shí)驗(yàn)3波形圖
實(shí)驗(yàn) 4：母線電壓突變工況
在母線電壓突變時(shí)，分別為 PI 電流內(nèi)環(huán)或非線性無縫電流內(nèi)環(huán)母線的電壓與電感電流波形。在充放電切換過程中，觀察儲(chǔ)能單元的動(dòng)態(tài)性能是否得到改善。
圖17 實(shí)驗(yàn)4波形圖
PART 06：總結(jié)
該研究提出了一種針對儲(chǔ)能單元中雙向 DC/DC 變換器的充放電無縫切換控制策略，該策略可根據(jù)直流母線電壓大小進(jìn)行自適應(yīng)充放電切換，且避免了因母線電壓正常波動(dòng)引起的頻繁充放電切換?；谙薹刂祁A(yù)防了儲(chǔ)能蓄電池的過充過放，延長了儲(chǔ)能單元的使用壽命；通過非線性無縫電流內(nèi)環(huán)改善了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，更短的過渡時(shí)間，更小的電壓電流超調(diào)量，且具有一定的自抗擾能力進(jìn)而抑制了充放電電流的小擾動(dòng)；具體更詳細(xì)研究內(nèi)容更參考電測與儀表的網(wǎng)絡(luò)首發(fā)論文以及咨詢大連海事大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)。
在本次研究中，作者團(tuán)隊(duì)采用YXSPACE控制器將SIMULINK下離線仿真算法模型快速轉(zhuǎn)換到實(shí)際控制器的控制算法，YXSPACE控制器加快了仿真到實(shí)物驗(yàn)證的效率。
為了感謝大連海事大學(xué)-輪機(jī)工程學(xué)院--張勤進(jìn)，牛淼，劉彥呈，曾宇基，陳龍 團(tuán)隊(duì)對研旭YXSPACE產(chǎn)品的推廣，南京研旭電氣科技有限公司授予該團(tuán)隊(duì)YXSPACE快速原型控制器系列產(chǎn)品宣傳精英獎(jiǎng)。另外該團(tuán)隊(duì)還在“兆易創(chuàng)新杯”第十五屆中國研究生電子設(shè)計(jì)競賽中，榮獲東北分賽區(qū)團(tuán)隊(duì)一等獎(jiǎng)的殊榮！
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