楼宇直流微网用直流母线功率分级控制的新型多输入直流变换器研究

易灵芝，范明辉，李卫平，李济君，李　果

（1.智能计算与信息处理教育部重点实验室（湘潭大学），湘潭411105；2.湖南省风电装备与电能变换2011协同创新中心，湘潭411101；3.惠州学院电子科学系，广州516007）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．35中图分类号：TM 932文献标志码：A

楼宇直流微网用直流母线功率分级控制的新型多输入直流变换器研究

易灵芝1，2，范明辉1，2，李卫平3，李济君1，2，李果1，2

（1.智能计算与信息处理教育部重点实验室（湘潭大学），湘潭411105；2.湖南省风电装备与电能变换2011协同创新中心，湘潭411101；3.惠州学院电子科学系，广州516007）

针对传统多输入变换器存在的输入/输出电压反极性、分布式能源汇集结构复杂等问题，提出一种新型多输入直流Buck-Boost变换器，有效实现楼宇直流微网中的风光混合供电，且将蓄电池直接嵌入变换器中，减小体积和降低成本。该变换器具有电路拓扑简洁、可实现升/降压、输入/输出电压同极性、各种分布式输入源可单独或同时向负载供电、蓄电池能根据负载功率变化吸收或释放功率等优点。以三输入为例分析了变换器的工作模式、推导其输入输出特性、提出基于直流母线功率的分级控制实现能量管理。通过Matlab/Simulink平台的仿真实验验证了该变换器的可行性和控制策略的有效性。

Buck-Boost变换器；直流楼宇微网；分布式电源；功率分级控制

Project Supported by National Natural Science Foundation of China“Multi-resource intelligent complementary building DC micro-grid dynamic optimization project research based on automatic demand response”（61572416）；Hunan Provincial Education Department Platform Project“Research on key technology of manufacturing for small power switched reluctance wind power generator”（14K095）；Key Disciplines of Hunan Province“Information and Communication Engineering”in“Twelfth Five Year Plan”.

引言

微网将分布式电源、负荷和储能装置结合为一个独立的整体，通过控制策略的灵活性实现并网运行和孤岛模式的平滑切换，能高效地发挥分布式电源的价值与效益。楼宇成为世界最大耗能用户之一，已得到全球的高度关注。在楼宇直流微网中，多输入直流变换器MIC（multiple-input converter）能将多种分布式输入源和负载连接在一起，实现楼宇内各分布式电源混合供电［1-4］。

近年来，MIC越来越得到国内外学者的重视。文献［5］提出的双输入Buck变换器，结构简单，输入源既可单独也可同时向负载供电，但只能用于降压场合；文献［6］将多输入升压变换器能大幅提高升压能力，但只适用于升压场合；文献［7］将双输入反激DC/DC变换器通过变压器实现电气隔离，并解决传统Buck-Boost变换器输入输出极性倒置的问题，但只适合于小功率场合；文献［8］将多输入Buck-Boost变换器实现电气隔离，但存在电压钳位，只允许一种输入源向负载供电；文献［9］中三输入Buck-Boost变换器实现能量双向流动，但双电感体积较大。在光伏发电、开关磁阻风力发电混合供电和蓄电池储能的楼宇直流微网中，提出一种新型单电感多输入非隔离Buck-Boost直流变换器，实现多种互补能源单独或同时向负载供电，通过蓄电池充/放电自动适应负载功率变化，维持负载工作稳定，并能解决传统Buck-Boost电路的极性倒置问题［10-15］。

1　工作模式

单电感三输入非隔离Buck-Boost变换器的主电路拓扑见图1，其中包括3个模式变换开关（S4、S5、S6）和3个辅助开关（S1、S2、S3），输入源V1、V2和Vb，3个导向二极管D1、D2、D3。为简化分析，假设所有开关管、二极管、电感、电容均为理想器件，开关管开关频率的相同，储能电感足够大，电感电流工作在电流连续模式。

图1　单电感三输入非隔离Buck-Boost变换器拓扑Fig.1 Three-input single-inductor non-isolated Buck-Boost converter topology

1.1模式I

模式I：开关管S4和S5断开，光、风、蓄3输入源V1、V2和Vb向负载供电。稳态波形及等效电路如图2所示，稳态波形见图2（a）。

图2　模式I稳态波形及等效电路Fig.2 Mode I steady-state waveforms and equivalent circuits

（1）开关状态I：S1、S2、S3导通，D1、D2、D3反向偏置。等效电路如图2（b）所示。此时，S6导通，V1、V2和Vb向电感L充电，电感电流iL经V1、S1、Vb、S3、V2、S2、L、S6组成回路，电感电流增加。同时，电容C放电给负载R，即有

（2）开关状态II：S3关断，S1、S2导通，D1、D2反向偏置。等效电路见图2（c）。此时，S6导通，V1和V2向电感L充电，电感电流iL经V1、S1、D3、V2、S2、L、S6组成回路，电感电流增加。同时，电容C放电给负载R，即有

（3）开关状态III：S2、S3关断，S1导通，D1反向偏置；S6导通，V1向电感L充电，电感电流iL经V1、S1、D3、D2、L、S6组成回路，电感电流继续增加。同时，电容C放电给负载R，则有

（4）开关状态IV：S1、S2、S3关断，等效电路见图2（e）。电感L放电给电容C和负载R，此时有

1.2模式II

模式II：光、风2个输入源V1、V2同时向负载供电，冗余功率给蓄电池充电。模式II稳态波形及等效电路如图3所示。稳态波形见图3（a）。

（1）开关状态I：S1、S2导通，D1、D2反向偏置，S6导通，等效电路见图3（b）。V1、V2向电感L充电，电感电流iL经V1、S1、D3、V2、S2、L、S6组成回路，电感电流增加。同时，电容C放电给负载R，则有

（2）开关状态II：开关S1、S2、S4、S5导通，D1、D2反向偏置，等效电路见图3（c）。V1、V2向电感L和蓄电池充电，电感电流iL经V1、S1、D3、V2、S2、L、S4、Vb、S5组成回路，电感电流继续增加。同时，电容C放电给负载R，则有

图3　模式II稳态波形及等效电路Fig.3 Mode II steady-state waveform and equivalent circuit

（3）开关状态III：S1、S4、S5导通，D1反向偏置，等效电路见图3（d）。V1向电感L和蓄电池充电，电感电流iL经V1、S1、D3、D2、L、S4、Vb、S5组成回路，电感电流继续增加。同时，电容C放电给负载R，则有

（4）开关状态IV：S1、S2、S3、S4、S5、S6断开，等效电路见图3（e）。电感L向电容C和负载R放电，则有

1.3变换器特性分析

在模式I中，分析电感L伏秒平衡，有

在模式II中，电感L伏秒平衡分析，有

式中：D2～D6分别为开关管S1～S6的占空比；V1、V2、V3分别为风、光、蓄输入源电压。

由此可见，输出电压大小与负载无关，只与S1、S2、S3、S4、S5、S6占空比有关，S4与S5同时导通或关断，输入/输出电压极性相同。可通过调节这6个开关的占空比得到所需的输出电压和输出电流。

1.4多输入变换器拓扑拓展

图4　单电感多输入非隔离Buck-Boost变换器拓扑Fig.4 Multi-input single-inductor non-isolated Buck-Boost converter topology

2　三输入直流变换器控制策略

2.1母线功率分级控制策略

将楼宇直流微网母线功率分为4个等级，依据各输入源的输出功率和负载功率、母线功率与输入功率关系，调节变换器的4种运行模式，通过功率分级控制实现对微网内微源和储能源的控制。直流楼宇微网系统控制框图如图5所示。

每个微源对应一个投切阈值：当设定值低于该阈值时，微源保持关断状态；当母线功率上升到阈值以上，此时母线功率处于下一功率等级，这个微源则投入工作，向负载进行供电。设PL为负载功率，Pr为变换器额定功率，L=1，2，3，4分别代表变换器运行在第1、2、3、4控制级，每个控制级采用电压外环和电流内环的双闭环非线性控制。分级控制框图如图6所示。

图6　分级控制框图Fig.6 Block diagram of level control

等级1：当0.81Pr＜PL＜1.21Pr时，PV、SRG向负载供电，蓄电池处于离线状态。该控制等级下，正常负荷信号经非门驱动得到S3、S4和S5的控制信号。输出电压反馈信号Vof与参考电压Vo经电压调节器比较放大后得到Ve，Ve与基准电流I2叠加得到I′2，再与I2ref经电流调节器比较放大后经PWM电路得到了S2的控制信号，I′2与I2ref比较后再与I1叠加得到I′1，I′1与I1ref比较得到S1的控制信号，S1和S2控制信号经逻辑或门得到S6的控制信号。

等级2：当PL＜0.81Pr，即超轻负荷时，仅由PV单独供电，并对蓄电池进行充电。等级2控制策略基本与等级4基本相同，不再赘述。

等级3：当PL＞1.21Pr时，蓄电池向负载释放功率，三个输入源同时给负载供电。等级1控制策略基本与等级1相同，不再赘述。

等级4：当PL＜0.81Pr时，PV和SRG供电，并对蓄电池进行充电。该控制等级下，轻载负荷判别脉冲信号经非门驱动得到S3的控制信号。输出电压反馈信号Vof与参考电压Vo经电压调节器比较放大后得到Ve，Ve与基准电流I1叠加得到I′1，I′1与I1ref比较放大得到S1的控制信号。I′1与I2叠加后得到I′2，I′2与I2ref比较后经电流调节器比较放大后经PWM电路得到了S2的控制信号。Ib与Ibref经比较放大后与Ve叠加得到S6的控制信号。当Ib较大时，得到S6的导通信号，经非门再与Ve和I′b的误差信号经逻辑与门得到S4、S5的关断信号；当Ib较小时，得到S6的关断信号，经非门再与Ve和I′b的误差信号经逻辑与门得到S4、S5的导通信号。

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3　仿真实现

在Matlab平台上，搭建风、光、蓄混合供电的楼宇直流微网仿真模型，如图7所示，验证新型三输入Buck-Boost变换器拓扑和控制策略可行性和有效性，其仿真参数如表1所示。

图7　风、光、蓄混合供电系统仿真模型Fig.7 Simulation model of wind，PV and battery hybrid power system

表1　输入源及DC/DC变换器仿真参数Tab.1 Simulation parameters of input source and DC/DC converter

图8　仿真波形Fig.8 Simulation waveforms

当PL＞1.21Pr，负载功率Pload为2.2 kW且大于额定功率时，光伏发电和开关磁阻发电作为主输入源，辅助电源蓄电池也向负载放电；当PL＜0.81Pr，负载功率Pload为1.1 kW且小于额定功率时，光伏发电和开关磁阻发电作为主输入源向负载供电，同时对蓄电池进行恒流充电；当0.81Pr＜PL＜1.21P，负载功率Pload为1.7 kW时，V1、V2向负载供电，蓄电池不工作；当PL较小，即PL=400 W时，由PV单独进行供电，并对蓄电池进行充电。

从仿真结果可以看出，输出电压基本维持在220 V左右，在允许范围内（±10%）能够维持输出电压的稳定。当负荷突增/突降时，电压会有短暂下降/上升，但能快速回到稳定状态。

4　硬件实验

使用TMS320F280X系列DSP作为控制器，通过电流电压双闭环控制，设计应用在楼宇直流微网中多输入DC/DC变换器装置，如图9所示，证实拓扑结构的可行性以及控制策略的有效性。主要输入源V1和V2分别是太阳能光伏发电和开关磁阻风力发电2种清洁能源，输出电压分别为V1=150～240 V，V2=180～300 V，备用输入源V3是输出电压为380 V的蓄电池组。通过实验室的直流开关电源模拟输入源，测得实验波形见图10。图10（a）为V1、V2同时供电（模式I）时的电感电压、电流波形及输出电压实验波形，图（b）、图（c）为V1、V2、Vb同时供电（模式II）开关管、电感电压、电感电流及输出电压实验波形，图（d）为负荷突增突减输出电压和蓄电池电流实验波形。当负载为轻负荷时，由V1、V2同时供电，并对蓄电池进行恒流充电；当负载为重负荷时，由V1、V2、Vb同时对负载供电，输出电压Vo会有短暂降低；当负载负荷在正常范围内时，由V1、V2同时供电，输出电压Vo会有短暂升高，蓄电池处于挂起状态。

从实验波形可以看出，输出电压在允许范围内基本保持恒定。实验波形与理论分析和仿真结果基本一致，验证了理论分析的正确性。

图9　多输入DC/DC变换器实验装置Fig.9 Multi-input DC/DC converter experimental device

图10　多输入DC/DC变换器实验波形Fig.10 Multi-input DC/DC converter experimental waveforms

5　结语

新型单电感非隔离多输入直流Buck-Boost变换器，具有电路拓扑简洁、可实现升降压、输入输出电压同极性、各种分布式输入源可单独或同时向负载供电等优点，能有效实现楼宇微网中的风光蓄混合供电，体积小，成本低。根据负载功率的变化，采用基于母线功率分级控制该变换器的3种运行模式，都能保持输出电压和功率的稳定，输入输出特性良好，为构建楼宇直流微网提供理论指导。

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Energy Management of MIC Building DC Micro-grid on DC Link Power Level Control

YI Lingzhi1，2，FAN Minghui1，2，LI Weiping3，LI Jijun1，2，LI Guo1，2
（1.Key Laboratory of Intelligent Computing & Information Processing，Ministry of Education，Xiangtan University，Xiangtan 411105，China；2.Hunan Province Wind Power Equipment and Power Conversion 2011 Collaborative Innovation Center. Xiangtan 411105，China；3. Department of Electronic Science，Huizhou University，Guangzhou 516007，China）

Aiming at the problem for reverse polarity of input and output voltage in traditional multi-inputs converter，and complex structure in the distributed energy collection，a new multiple-inputs Buck-Boost converter is proposed for building DC micro-grid，which wind-solar hybrid power supply is effectively realized，battery is embed in converter directly，so the volume can be reduced and the cost is lower. It has many advantages，such as simple circuit topology，Boost and Buck，the same polarity of input and output voltage，and the power supply of input source alone or simultaneously，and the battery absorb or release power according to the changes of load. A three-input Buck-Boost DC/DC converter is analyze for its operating modes，input/ output characteristics were derived，and DC link power level control is proposed to energy management. The experiment results on Matlab/Simulink platform verify the feasibility of theoretical analysis and the correction of new control strategy.

Buck-Boost converter；DC building micro-grid；distributed power；power level control

易灵芝

2015-08-04

国家自然科学基金项目“基于自动需求响应的多功能互补智能楼宇全直流微网动态优化”（61572416）；湖南省教育厅平台项目“小功率新型开关磁阻风力发电装备中关键技术研究”（14K095）；湖南省“十二五”重点学科“信息与通信工程”资助项目。

易灵芝（1966-），女，硕士，教授，研究方向：交流调速与电力电子装置，新能源发电与直流微网等，E-mail：450337856@qq. com。

范明辉（1990-），男，通信作者，硕士，研究方向：新能源风力发电，E-mail：11725 64549@qq.com。

李卫平（1965-），女，硕士，副教授，研究方向：计算机控制，E-mail：bright5688@ 126.com。

李济君（1989-），男，硕士研究生，研究方向：新型功率变换器，E-mail：157255841 @qq.com。

李果（1991-），男，硕士研究生，研究方向：混合电动汽车，E-mail：475844283@qq. com。