成功案例分享：大连海事大学-储能双向DC/DC变换器自适应充放电无缝切换策略（牛淼）
发布时间：
2020-12-10 16:24
来源：
原创
感谢大连海事大学 轮机工程学院 张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙 团队供稿。
祝贺该团队近期采用基于yxspace半实物仿真平台进行储能双向 DC/DC 变换器自适应充放电无缝切换策略的算法验证，该成果成功发表于《电测与仪表》，引用格式如下：
张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙．储能双向 DC/DC 变换器自适应充放电无缝切换策略．电测与仪表.
https://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1202.th.20201119.1552.006.html
研究主要内容为：
该研究以工程应用为出发点、直流微电网为背景、储能双向DC/DC变换器为研究对像，提出了一种充放电无缝切换控制策略。该策略可根据母线电压大小进行自适应充放电切换，进而维持母线电压稳定。引入了非线性无缝电流内环，通过非线性fal函数改造PI控制器，改善了双向DC/DC变换器动态性能，实现平滑无冲击的充放电无缝切换，算法简易，便于实现，该项研究通过仿真与实际实验对照，验证了所提控制策略的有效性与优越性。
PART 01：直流微电网母线电压稳定问题
在直流微电网中，分布式电源的输出功率不稳定、负载投切与微源间能量交换等现象均会导致母线电压波动， 严重时威胁系统的安全。通过引入储能单元作为能量缓冲装置可维持母线电压的稳定。储能模块需要通过双向 DC/DC 变换器与直流母线相连，故双向 DC/DC 变换器的性能对直流微电网的稳定起着至关重 要的作用。
图1 直流微电网结构图
PART 02：双向DC-DC无缝切换
在充放电切换过程中，双向 DC/DC 变换器应保证 较短的切换时间与较小的冲击电流，即平滑过渡无冲击的无缝切换，进而维持母线电压稳定。双向 DC/DC 变换器具有非线性特征，传统的线性误差反馈控制器 较难取得理想的控制效果，其动态反应速度较慢，甚 至当电路参数变化时会出现混沌或分岔等非线性现象。此外，直流微电网存在电压变化范围大与负载非线性 等特征，故应对双向 DC/DC 变换器使用非线性控制策略，提高其动态性能。
图2 储能单元结构图
PART 03：充放电切换控制策略
研究以工程应用为出发点、直流微电网为背景、 双向 DC/DC 变换器为研究对像，提出一种充放电无缝切换控制策略。该策略可根据母线电压大小进行自适应充放电切换，进而维持母线电压稳定。引入了非线性无缝电流内环，通过非线性 fal 函数改造 PI 控制器，改善了双向 DC/DC 变换器动态性能，实现平滑无冲击的充放电无缝切换。
研究中采用的双向 DC/DC 变换器的充放电控制策略为自适应电压外环和非线性无缝电流内环构成。
图3 控制策略结构图
根据母线电压大小分为空闲、放电与充电等 3 种工作模式，自适应电压外环通过判断电压大小进行 自适应模式切换，进而调节电流设定值 ，且可通过判断蓄电池电压防止过充过放。基于非线性 fal 函数的非线性无缝电流内环则通过判断误差反馈大小自适应地修改 PI 参数，使系统快速达到稳定状态，缓解了传统 PI 控制器在快速性与超调之间的矛盾，实现充放电无缝切换。
3.1 自适应电压外环
电压外环的首要任务是根据母线电压大小控制储能单元进行充放电切换。在实际微电网运行中，母线电压会在一定范围内波动，而非严格维持在额定值。传统的储能单元控制策略通过比较母线电压与额定值的高低关系进行充放电切换，然而，母线电压的小范围波动可能会导致储能单元频繁充放电切换，降低其使用寿命。为防止双向 DC/DC 变换器的充放电频繁切换，将双向DC/DC 变换器分为充电、放电与空闲 3 种工作模式。
图4 工作模式选择原理图
当母线电压处于稳定范围内，储能单元处于空闲模式，既不充电也不放电；若低于下限值，则储能放电，防止母线电压跌落；若高于上限值，则储能充电。通过改变可变限幅器幅值，防止蓄电池过充过放。
图5 空闲模式控制框图
图6 充电模式控制框图
图7 放电模式控制框图
3.2 非线性无缝电流内环
为缓解传统 PI 控制器的快速性与稳定性固有矛盾， 实现可借鉴“大误差，小增益；小误差，大增益”的非线性思想。利用 fal 函数构造非线性 PI 电流控制器， 其比例、积分反馈系数随着误差大小而动态调节，进而较好地满足了快速性与稳定性的平衡需求，提高充放电切换的动态性能。在此基础上，通过引入微分跟踪器（Tracking Differentiator, TD）平滑过渡电流给定值，防止系统控制效果超调。最终，在相同比例积分控制参数下，缩短切换时间与减小母线电压超调，即平滑过渡无冲击的无缝切换。
图8 电流内环控制器结构图
PART 04：仿真案例
4.1、母线电压跌落仿真案例
模拟分布式电源输出功率降低导致母线电压跌落的工况。时段 1，直流母线电压为额定值 400 V，双向 DC/DC 变换器为空闲模式。时段 2，直流母线电压跌落，储能双向 DC/DC 变换器切换为放电模式，以-9 A 放电维持直流母线电压为放电临界值380 V。时段 3，母线电压恢复为额定 400 V，储能双向 DC/DC 变换器恢复为空闲模式。
图9 电感电流与母线电压波形
母线电压跌落工况下，当采用传统 PI 电流环时，0.5 s 时刻经 0.15 s 超调时间产生 7.8 V 电压超调量，1 s 时刻产生 2.6 A 电流超调量；当采用非线性无缝电流内环时，0.5 s 时刻经 0.06 s 超调时间产生 3.1 V 电压超调量，1 s 时刻产生 0.03 A 电流超调量。在母线电压跌落工况下，非线性无缝电流内环相较于传统 PI 电流内环过渡时间更短与超调量更小。
4.2、母线电压陡升仿真案例
模拟分布式电源功率增大导致母线电压陡升工况。时段 1，母线电压为额定值 400 V， 双向 DC/DC 变换器为空闲模式。时段 2，母线电压上升至充电临界值 420 V，双向 DC/DC 变换器切换为充电模式，以+10 A 电流充电。时段 3，母线电压恢复为额定值 400 V，双向 DC/DC 变换器恢复为空闲。
图10 电感电流与母线电压波形
母线电压陡升工况下，当采用传统 PI 电流内环时，0.5 s 时刻的模式切换时间为 0.07 s；当采用非线性无缝电流内环时，0.5 s 时刻的模式切换时间为 0.02 s，且电压过渡更加平滑。在母线电压陡升工况下，非线性无缝电流内环相较于传统 PI 电流环过渡时间更短与超调量更小。
4.3、母线电压波动仿真案例
模拟了分布式电源随机性导致的母 线电压波动工况。时段 1，母线电压为额定值 400 V，双向 DC/DC 变换器为空闲模式。时段 2，直流母线电压跌落，双向 DC/DC 变换器切换为放电模式，以-9 A 放电维持直流母线电压为临界值 380 V。时段 3，直流母线电压恢复为额定值 400 V，双向 DC/DC 变换器恢复为空闲模式。时段 4，直流母线电压上升至充电临界值 420 V，储能双向 DC/DC 变换器变为充电模式，以+10 A 从直流母线侧吸收能量。时段 5，直流母线电压恢复为额定值 400 V，双向 DC/DC 变换器恢复为空闲模式。
图11 电感电流与母线电压波形
母线电压波动工况下，当采用传统 PI 电流内环时，在 2.0 s 时刻经 0.15 s 切换时间产生 7.8 V 电压超调，在 4.0 s 时刻产生 2.6 A 电流超调，在 6.0 s 时刻模式切换时间为 0.07 s，在 8.0 s 时刻的工作模式切换时间为 0.05 s；当采用非线性无缝电流内环时，在 2.0 s 时刻经 0.06 s 切换时间产生 3.1 V 电压超调，在 4.0 s 时刻产生 0.03 A 电流超调，在 6.0 s 时刻模式切换时间为 0.02 s，在 8.0 s 时刻的模式切换时间为 0.02 s。在母线电压波动工况下，相较于传统 PI 电流环，非线性无缝电流内环的过渡时间更短与超调量更小。
PART 05：实物验证
搭建了由可编程电源（模拟光伏源）、蓄电池、yxSPACE 与双向 DC/DC 变换器等组成的实验平台。
图12 实验平台
图13 实验电路原理图
实验 1：母线电压逐渐下降工况
通过调节模拟光伏输出功率使得母线电压经历“稳定范围→放电临界值→稳定范围”过程，模仿母线电压逐渐降低的工况，观察储能单元能否自适应充放电切换
图14 实验1波形图
实验 2：母线电压逐渐上升工况
通过调节模拟光伏功率使得母线电压经历“稳定范围→充电临界值→稳定范围”过程，模仿母线电压逐渐上升的工况，观察储能单元能否自适应充放电切换。
图15 实验2波形图
实验 3：母线电压波动工况
通过调节模拟光伏输出功率，使得母线电压经历“稳定范围→放电临界值→稳定范围→充电临界值→稳定范围”的过程，模仿母线电压波动工况，观察储能单元能否自适应充放电切换。
图16 实验3波形图
实验 4：母线电压突变工况
在母线电压突变时，分别为 PI 电流内环或非线性无缝电流内环母线的电压与电感电流波形。在充放电切换过程中，观察储能单元的动态性能是否得到改善。
图17 实验4波形图
PART 06：总结
该研究提出了一种针对储能单元中双向 DC/DC 变换器的充放电无缝切换控制策略，该策略可根据直流母线电压大小进行自适应充放电切换，且避免了因母线电压正常波动引起的频繁充放电切换。基于限幅控制预防了储能蓄电池的过充过放，延长了储能单元的使用寿命；通过非线性无缝电流内环改善了系统动态性能，更短的过渡时间，更小的电压电流超调量，且具有一定的自抗扰能力进而抑制了充放电电流的小扰动；具体更详细研究内容更参考电测与仪表的网络首发论文以及咨询大连海事大学研究团队。
在本次研究中，作者团队采用YXSPACE控制器将SIMULINK下离线仿真算法模型快速转换到实际控制器的控制算法，YXSPACE控制器加快了仿真到实物验证的效率。
为了感谢大连海事大学-轮机工程学院--张勤进，牛淼，刘彦呈，曾宇基，陈龙 团队对研旭YXSPACE产品的推广，南京研旭电气科技有限公司授予该团队YXSPACE快速原型控制器系列产品宣传精英奖。另外该团队还在“兆易创新杯”第十五届中国研究生电子设计竞赛中，荣获东北分赛区团队一等奖的殊荣！
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