适用于超级电容的双向变换器模糊PI控制策略

    高晓芝 姜枫 高帆

    摘 要：针对直流微网中超级电容储能系統，提出了一种基于模糊PI控制的双向DC/DC变换器的双闭环控制方法。首先分析了双向变换器的拓扑结构，开关管使用移相控制，利用模糊PI控制环节，降低超级电容端电压波动，提高了超级电容充放电的效率，使整个系统更加稳定。运用matlab/Simulink搭建仿真模型，与其他控制方法进行了比较，验证了该方法的可行性和有效性。

    关键词：隔离型变换器；超级电容；双闭环控制；模糊PI控制

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

    0 引言

    超级电容作为一种新型储能元件，它的功率密度高，储能速度快，储能过程可逆，超级电容储能能够稳定微网中负载功率的高频分量[1，2]。而双向DC/DC变换器是电力电子能量转换的重要器件，可以实现不同电压等级的不同供电系统之间的能量转换，也是实现储能系统与光伏系统之间的能量转换的重要器件。由于隔离型双向DC/DC变换器各器件电流、电压应力小，能量传递效率高，适用于中高功率的场合[3]。因此本文采用隔离型双向DC/DC变换器进行超级电容储能的研究。

    文献[4]通过互补PWM控制技术控制双向变换器，应用功率前馈与双闭环相结合的方法来解决直流母线电压波动的问题。文献[5-6]基于直接功率控制方法，提出一种负载电流前馈控制方法，验证了负载突变对变换器动态响应的影响。文献[7-8]对多端口电源系统中双向变换器，采用分段PI调节和滑膜控制结合的双闭环控制，通过实验验证了控制策略的可行性。

    结合上述研究，本文提出了一种适用于超级电容储能，使用隔离型双向DC/DC变换器应用模糊PI控制的电压、电流双闭环控制策略，首先分析了隔离型双向变换器拓扑结构，对于双向转换器这种非线性时变系统，需要模糊PI对系统进行实时控制，同时采用电压、电流双闭环控制，提高系统稳定性，减小超级电容端电压在稳态状态下的电压波动，实现超级电容快速充放电控制。

    1 适用于超级电容的隔离型双向DC/DC变换器模糊PI控制策略

    1.1 双向DC/DC变换器拓扑结构

    本研究采用隔离型双向DC/DC变换器的电路结构作为超级电容器的充放电电路，其拓扑结构如图1所示。

    变换器是通过移相控制Q1～Q8这8个IGBT的开通与关断来实现能量的双向流动。为了便于分析，我们将超级电容简化为R-C串联的简单模型。

    在buck模式下，通过控制Q1～Q4的导通，使每个桥臂的两个功率管成180°互补导通，Q1和Q3超前Q2和Q4一个相位，将能量储存在储能电感Lr中，通过变压器将能量传到低压侧，从而给超级电容端Vs充电。

    在boost模式下，通过控制的导通，使同一桥臂上两功率管导通时间交错180°，即对角的两个功率管同时导通。当四个管同时导通时，超级电容给储能电感Lf充电，两对晶闸管的交错导通将能量通过变压器传递到高压侧Vb，从而完成超级电容的放电。

    1.2 基于双闭环的模糊PI控制分析

    在双向DC/DC变换器的移相控制基础上，采集变换器的输出电压Vs与电感电流I*，将输出电压Vs与参考值比较得到偏差值e与偏差变化率ec，经过模糊控制器得到PI控制器Kp和Ki修正值，通过电压PI控制器得到电感电流参考值Iref，与变换器实际电感电流I* 比较得到差值通过PI电流控制器，从而控制PWM移相时间，以实现对双向变换器的控制。控制框图如图2所示。

    设定模糊PI输入输出的基本论域为[-6，6]，变量的语言取值为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别代表着正大、正中、正小、零、负小、负中、负大。

    对于模糊控制的隶属度函数，采用计算相对简单的三角函数，得到了输出变量的模糊控制规则，如表1：

    电压环模糊PI控制和电流环PI控制结合的控制策略，能够根据实际情况实时改变系统参数，增强系统的稳定性，有效提高电压到达稳态的效率，控制电流大小，从而有效保护电路器件。

    2 仿真验证

    隔离型双向DC/DC变换器有两种工作状态，buck模式下由直流母线对超级电容进行充电，能量由高压侧向低压侧流动，boost模式下由超级电容进行放电，能量由低压侧向高压侧流动，此处我们采用matlab/simulink进行两种模式仿真验证，系统参数如下：DC=350V，Lr=420μH，Lf=200μH，Cs=420μF。模糊PI控制仿真图如图3。

    图4、图6为传统PI控制器控制双向DC/DC变换器充放电图，可以看出升压过程中电压有较大的峰值波动，动态响应较慢，当电压趋于稳定后还是有稳态波动，纹波较多。

    图5、图7为模糊PI控制器下，双向DC/DC充放电图，相比于传统PI控制器的控制结果，可以看出模糊PI控制器能更好解决系统非线性稳定性问题，在电压上升过程中，具有很好的动态稳定性，没有明显的震荡情况，能够更快达到稳定状态，稳态误差也相对于传统PI有了明显的改善。

    3 结论

    本文针对超级电容储能运用了一种隔离型双向DC/DC变换器结构，设计了模糊PI电压环和PI电流环双闭环控制策略，仿真分析了双向DC/DC变换器在buck、boost模式下的工作状况，以及双闭环控制下超级电容充放电状态。通过仿真结果，可以看出双向DC/DC变换器可以实现能量的双向流动，模糊PI控制有效提高了超级电容的充放电稳定性，使其具有较短的响应时间，超级电容可以很好的作为储能装置。

    参考文献：

    [1]谢本建，徐平，许锦兰等.直流供电系统中超级电容应用研究[J].电气技术，2017（12）：122-125.

    [2]张纯江，董杰等.蓄电池与超级电容混合储能系统的控制策略[J].电工技术学报，2014，29（04），334-340.

    [3]黄杰，于庆广.基于能源路由器的隔离双向DC-DC变换器研究[J].电源技术，2017，41（02）：301-304.

    [4]张国驹，唐西胜，周龙等.基于互补PWM控制的Buck/Boost双向变换器在超级电容器储能中的应用[J].中国电机工程学报，2011，31

    （06）：15-21.

    [5]侯聂，宋文胜，武明义.双向全桥DC-DC变换器的负载电流前馈控制方法[J].中国电机工程学报，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]冯兴田，万满满等.基于储能的双向DC/DC变换器电源系统控制策略[J].电力电子技术，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.

    基金项目：河北省高等学校科学技术研究项目（QN2015089）

    作者简介：高晓芝（1981-），女，河北曲阳人，博士，讲师，研究方向：直流微网控制及电能质量改善。