一種多端口雙向DC_DC變換器控制系統(tǒng)設(shè)計_謝軍_圖文

1、一種多端口雙向D C -D C 變換器控制系統(tǒng)設(shè)計謝軍1,2,王成悅3,劉勝永2,4(1.安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,合肥230051;2.合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院,合肥230009;3.合肥陽光電源有限公司,合肥230088;4.廣西工學(xué)院電子信息與控制工程系,廣西柳州545006摘要:目前,多端口雙向D C -D C 變換器在燃料電池電動汽車等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中獲得了更多的關(guān)注.針對一種三半橋雙向D C -D C 變換器,構(gòu)建了雙閉環(huán)控制系統(tǒng),同時為了獲得快速動態(tài)響應(yīng),設(shè)計了一種帶有解耦網(wǎng)絡(luò)的控制策略.最后,仿真和實驗結(jié)果證明了該方案的合理性.關(guān)鍵詞:雙向D C -D C 變換器

2、;解耦網(wǎng)絡(luò);雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中圖分類號:T M 938.5文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1673-162X (201004-0025-04D e s i g n o f Mu l t i p o r t B i d i r e c t i o n a lD C -D CC o n v e r t e r C o n t r o l S y s t e mX I EJ u n 1,2,W A N GC h e n g -y u e 3,L I US h e n g -y o n g 2,4(1.D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c E n g i n e e

3、r i n g ,A n h u i V o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a l C o l l e g e ,H e f e i 230051;2.S c h o o l o f E l e c t r i c a n d A u t o m a t i o n E n g i n e e r i n g ,H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,H e f e i 230009;3.H e f e i S u n g r o wP o w e r S u p p l y C o

4、.L t d .,H e f e i 230088;4.D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c I n f o r m a t i o n a n d C o n t r o lE n g i n e e r i n g ,G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,L i u z h o u ,G u a n g x i 545006,C h i n a A b s t r a c t :M u l t i -p o r t b i d i r e c t i o n a l D

5、 C -D Cc o n v e r t e r s h a v e a t t r a c t e d s p e c i a l i n t e r e s t i n a p p l i c a t i o n s w h e r ea l t e r n a t i v e e n e r g y s o u r c e s s u c h a s f u e l c e l l e l e c t r i c a l v e h i c l e a r e u s e d .A i m i n g a t a T r i p l e -H a l f -B r i d g e(T H

6、 B b i d i r e c t i o n a l D C -D Cc o n v e r t e r ,t h e d u a l c l o s e -l o o pc o n t r o l s y s t e m i s c o n s t r u c t e d .A c o n t r o ls t r a t e g y w i t ht h ed e c o u p l e dn e t w o r ki s i m p l e m e n t e dt oo b t a i nf a s t d y n a m i cr e s p o n s e .F i n a l

7、 l y ,t h es i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t r e s u l t s s h o wi t s f e a s i b i l i t y .K e yw o r d s :b i d i r e c t i o n a l D C -D Cc o n v e r t e r ;d e c o u p l e d n e t w o r k ;d u a l c l o s e l o o p c o n t r o l s y s t e m隨著可再生能源發(fā)電系統(tǒng),例如燃料電池、光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電,在中國和世界范圍內(nèi)的迅

8、速發(fā)展,由于各種發(fā)電設(shè)備在工作過程中存在一定的缺陷,帶來了一些難題和挑戰(zhàn),如燃料電池的響應(yīng)速度比較慢,輸出功率不能及時地跟蹤負(fù)荷的變化等.在系統(tǒng)中配置儲能裝置例如蓄電池和超級電容器,對可再生能源發(fā)電系統(tǒng)具有非常重要的作用.儲能裝置能夠起到能量和功率的支撐作用,及時補充系統(tǒng)的短時峰值功率,并回收剩余功率,保證供電的連續(xù)性和可靠性,提高電能的利用效率,并且使發(fā)電設(shè)備在輸出功率或負(fù)荷功率波動較大時,仍然能夠保持較好的穩(wěn)定性.1為了實現(xiàn)發(fā)電設(shè)備和多個儲能元件的有效結(jié)合,就需要用到多端口功率變換系統(tǒng).多端口功率變換系統(tǒng)利用單級功率變換單元連接多個電源,具有成本低、效率高、容易實現(xiàn)能量流動的集中控制等優(yōu)點

9、.近年來,國內(nèi)外已經(jīng)對這種多端口雙向變換器進行了詳細(xì)的研究,提出了多種拓?fù)?-5.文獻6提出一種用于燃料電池電動汽車的多端口三半橋雙向D C -D C 變換器,與其他拓?fù)湎啾容^,該變換器具有雙收稿日期:2010-01-20修回日期:2010-09-01基金項目:廣西教育廳科研立項項目(200911L X 164資助.作者簡介:謝軍(1976,男,安徽定遠人,安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系講師,合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院2007級博士研究生 .(自然科學(xué)版J o u r n a l o f H e f e i U n i v e r s i t y (N a t u r a l S c i e

10、 n c e s 2010年11月第20卷第4期N o v .2010V o l .20N o .4向功率流動、電氣隔離、元器件數(shù)量少、不用輔助電路就能實現(xiàn)軟開關(guān)等優(yōu)點.針對該變換器,本文主要推出相關(guān)傳遞函數(shù)和構(gòu)建雙閉環(huán)控制系統(tǒng),同時為了加快動態(tài)響應(yīng),設(shè)計了一種帶有解耦網(wǎng)絡(luò)的控制策略.1工作原理和穩(wěn)態(tài)分析主電路拓?fù)淙鐖D1所示,包括低壓側(cè)兩個半橋單元、高壓側(cè)一個半橋單元和一個三繞組高頻變壓器組成.低壓側(cè)儲能單元分別采用蓄電池和超級電容器,高壓側(cè)負(fù)載通過D C -A C 逆變器驅(qū)動電機.變壓器的漏感在低壓側(cè)和高壓側(cè)之間作為能量儲存和傳送單元.該變換器采用移相控制方式,通過控制各個半橋單元之間的移相

11、角,來改變功率的流向和大小.圖2所示為一個開關(guān)周期內(nèi)變壓器各繞組兩端的理想電壓波形,V r 12、V r 56分別為低壓側(cè)變壓器繞組兩端的方波電壓,V r 34為高壓側(cè)變壓器繞組兩端的方波電壓. 13、 15和 53分別是V r 12和V r 34,V r 12和V r 56,V r 56和V r 34之間的移相角,從圖2中可以看出,一個開關(guān)周期可以分為6種工作模式,模式是典型的升壓模式,此時能量從低壓側(cè)流向高壓側(cè).本文主要對模式進行動態(tài)分析和控制設(shè)計,相應(yīng)的設(shè)計過程很容易擴展到其他模式 .圖1多端口雙向D C -D C 變換器拓?fù)鋱D2以原邊為參考時變壓器兩側(cè) 理想的電壓波形圖3帶有解耦網(wǎng)絡(luò)的

12、控制系統(tǒng)框圖2控制系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)變換器工作在升壓模式時,蓄電池和超級電容器將電能傳遞到高壓側(cè),通過逆變器驅(qū)動電機;而在降壓模式時,能量回饋給蓄電池或超級電容器,或者向兩者同時充電.因此,需要控制高壓側(cè)直流母線電壓保持恒定,同時為了防止儲能單元過充、過放電,需要對輸入側(cè)直流電流進行控制,系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制方式,外環(huán)控制輸出直流母線電壓,內(nèi)環(huán)控制來自兩個輸入端的電感電流.由于兩個電流內(nèi)環(huán)之間有干擾,需要采取特殊的補償網(wǎng)絡(luò)來消除這種干擾.采用解耦網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)框圖如圖3所示.2.1解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計本文采用串聯(lián)補償器解耦,解耦網(wǎng)絡(luò)H 設(shè)計過程如下.從圖3可以看出,電感電流向量I d c =I d c 1I d

13、 c 2T =G 1353=G ,(1G 為控制-輸出的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣,而是輸入控制向量,在這里定義為=H U ,H 是要設(shè)計的解耦網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)矩陣,U 是電流補償環(huán)節(jié)生成的控制向量,U =G i (I r e f -I d c ,(226合肥學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版第20卷G i =G i d c 1(s G i d c 2(s T ,(3G i 是電流調(diào)節(jié)器向量,因此電感電流可以寫為I d c =G H G i (I r e f -I d c .(4為了使多變量系統(tǒng)成為解耦系統(tǒng),傳遞函數(shù)矩陣需要對角化,通過選擇和設(shè)計解耦網(wǎng)絡(luò)H ,使矩陣G 和H 的乘積為對角陣,即X =G H =d i a

14、g x 1,x 2,(5所以可以推出H =G -1·X =G i d c 1/13G i d c 1/53G i d c 2/13G i d c 2/53-1x 100x 2=1G i d c 1/13·G i d c 2/53-G i d c 1/53·G i d c 2/13G i d c 2/53·x 1-G i d c 1/53·x 2-G i d c 2/13·x 1G i d c 1/13·x 2,將該矩陣的對角元素化為1,解耦矩陣可以進一步簡化為H =1-G i d c 1/53/G i d c 1/13-G

15、i d c 2/13/G i d c 2/531.(6在解耦網(wǎng)絡(luò)的作用下,兩個電流內(nèi)環(huán)控制器可以看做相互獨立的單變量控制系統(tǒng),從而實現(xiàn)對輸入電感電流i d c 1、i d c 2的獨立控制.2.2電流內(nèi)環(huán)設(shè)計變換器的參數(shù)為D =0.5,V i n 1=V i n 2=12V ,L 1=L 2=5H ,L r 13=L r 53=L r 15=0.5H ,f s =20k H z ,C p =0.01F ,C s =0.348F ,R =36,13=0.16,53=0.1.根據(jù)主電路的參數(shù),可以繪出電流內(nèi)環(huán)未加補償時增益函數(shù)G i d c 1/13(s 的波特圖,如圖4所示.從圖4中可以看出,幅

16、值裕度為-133d B ,相角裕度為-0.0875d e g ,顯然系統(tǒng)是不穩(wěn)定的.由于實際系統(tǒng)中要求電流環(huán)具有較好的跟隨性和穩(wěn)態(tài)精度,調(diào)節(jié)器中需要有一個積分環(huán)節(jié),用來提高系統(tǒng)的型別, 消除或減少穩(wěn)態(tài)誤差7. 但積分控制使信號產(chǎn)生90°的相角滯后,于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利,為了保證系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定裕度,使其開環(huán)對數(shù)幅頻特性在高頻段截止頻率處的斜率為 -20d B ,需要使用有兩個微分環(huán)節(jié)的P I D 調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)為G i d c 1(s =(1s +1(2s +1s.(7圖5為補償后的電流環(huán)波特圖,如圖5中箭頭所示.此時系統(tǒng)的幅值裕度為-77.9d B ,相角裕度為86.2d e

17、g ,系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性.圖4電流內(nèi)環(huán)未加補償時的波特圖圖5電流內(nèi)環(huán)未加補償和P I D 校正后的波特圖圖6電壓外環(huán)未加補償和P I 校正后的波特圖2.3電壓外環(huán)設(shè)計圖6為電壓外環(huán)未加補償和采用P I校正后波特圖,其中箭頭所指為采用P I 校正后的波特圖.從圖6中可以看出,盡管電壓環(huán)是穩(wěn)定的,但是截止頻率太高,而且相角裕度為-90d e g ,因此需要采用串聯(lián)滯后補償網(wǎng)絡(luò)來降低截止頻率,以使系統(tǒng)獲得足夠的相角裕度.本文中采用P I 調(diào)節(jié)器,其傳遞函數(shù)可表示為G v (s =k p v +k i v /s =k i v (1+v s s .(8利用M A T L A B 軟件里的“s i s

18、o t o o l ”工具來設(shè)計P I 調(diào)節(jié)器,如圖6中箭頭所指,此時k p v =0.18579,k i v =93.12,幅值裕度為27.2d B ,相角裕度為52.4d e g ,系統(tǒng)27第4期謝軍,等:一種多端口雙向D C -D C 變換器控制系統(tǒng)設(shè)計具有較好的穩(wěn)定性.3仿真和實驗結(jié)果3.1仿真結(jié)果使用M a t l a b /s i m u l i n k 搭建D C -D C 變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)狀態(tài)空間平均數(shù)學(xué)模型,仿真參數(shù)和上節(jié)一致.當(dāng)輸入電壓發(fā)生擾動時,系統(tǒng)輸出電壓響應(yīng)波形如圖7所示.對上節(jié)中電流內(nèi)環(huán)解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案進行仿真驗證.從圖7中可以看出,兩個輸入端的電源電壓在發(fā)生突

19、降時,輸出電壓在經(jīng)過較小的動態(tài)跌落后,很快恢復(fù)穩(wěn)定,并保持在250V 不變 .圖7當(dāng)輸入電壓V i n 1、V i n 2分別在80s 和82s 由12V 階躍到9V 時,輸出電壓的響應(yīng)情況3.2實驗結(jié)果為了驗證變換器的性能,搭建了實驗平臺并進行了測試,主電路參數(shù)為V i n 1=V i n 2=8V ,R =125, 13=0.2, 53=0.08,V o =160V .圖8所示為升壓模式下變壓器各繞組上的高頻交流電壓V r 12、V r 56和V r 34波形、漏感電流I r 12、I r 56、I r 34波形 .圖8變壓器繞組兩側(cè)的電壓波形和變壓器漏感電流波形參考文獻:1嚴(yán)俊,趙立飛.

20、儲能技術(shù)在分布式發(fā)電中的應(yīng)用J .安徽電力,2006,23(3:55-57.2T a o H ,K o t s o p o u l o s A ,J o r g eL ,e t a l .F a m i l yo f M u l t i p o r t B i d i t e c t i o n a l D C -D CC o n v e r t e r s J .I E E E P r o c e e d i n g s :E l e c t r i cP o w e r A p p l i c a t i o n s ,2006,153(3:451-458.3K r i s h n a s

21、 w a m iH ,M o h a nN .T h r e e -P o r t S e r i e s -R e s o n a n t D C -D C C o n v e r t e rt oI n t e r f a c eR e n e w a b l eE n e r g yS o u r c e sW i t hB i d i r e c t i o n a l L o a d a n d E n e r g y S o u r c e s Wi t hB i d i r e c t i o n a l L o a da n dE n e r g yS t o r a g eP o r t s J .I E E ET r a n s a c t i o n so nP o w e r E l e c t r o n i c s ,2009,24(10:2289-2297.4Z h a oC h u a n h o n g ,S i m o nDR o u n d ,J o h a n nW K o l a r .A nI s o l a t e dT h r e e -P o r t B i d i r e c t i o n a l D C -D CC o n v e r t e r w i t hD e c o u p l e dP o w