双向直流变换器控制方法

陈 菲，张方华

（南京航空航天大学自动化学院，南京 211106）

双向直流变换器控制方法

陈 菲，张方华

（南京航空航天大学自动化学院，南京 211106）

双向直流变换器配合蓄电池或超级电容等化学储能元件应用在具有直流母线支撑的系统中时，其主要控制目标为结合储能元件的荷电状态实现负载的稳定工作。当负载功率大于主供电功率时，控制储能元件释放能量以满足负载功率需求；当负载功率小于主供电功率时，控制储能元件吸收能量以避免母线电压上升。归纳和总结了现有的双向控制方法，详细分析了储能系统中变换器两端均为直流源的应用场合时双向直流变换器的双向切换原理，重点研究了采用带有方向信息的电感电流平均值作为电流内环、直流母线电压作为电压外环的双向控制方法。针对该控制方法中存在的母线电压波动和电池频繁充放电的问题，阐述了相应的优化措施。

双向直流变换器；储能系统；双向切换原理；直流母线电压外环

双向直流变换器配合蓄电池等化学储能元件作为能量存储装置在不间断供电UPS（uninterruptible power supply）、储能系统、电动机电动/制动等领域得到了广泛应用[1-3]。

一种城轨交通超级电容储能系统示意如图1所示，它由1 500 V直流牵引接触网、双向直流变换器、单向逆变器、三相电机及超级电容组成[4]。当列车制动时，系统产生制动能量，双向直流变换器工作在充电模式，储能元件吸收能量；当列车牵引时，双向直流变换器工作在放电模式，储能元件释放能量以满足牵引功率需求。双向直流变换器应用在储能系统中时，其控制目标主要有两点：一是作为松弛终端帮助维持直流母线电压以保证母线上其余负载或变换器的正常工作；二是结合储能元件的荷电状态SOC（state-of-charge），对其进行合理的充放电控制。

Buck/boost双向直流变换器具有功率器件少、易于控制、效率较高等优点[5-6]，因此通常采用其单体或其组合作为化学储能元件前端的变换器。图2所示为buck/boost双向直流变换器原理，其中，Q1为boost模式下的主控管，Q2为buck模式下的主控管。Buck/boost变换器应用在储能系统中时，传统的控制方法通常采用两套电压电流双闭环，如图3所示[7]。充电时，采用储能元件端电压外环，电感电流内环以控制储能元件充电功率；放电时，采用直流母线电压外环，电感电流内环以控制母线电压。但由于采用电感电流绝对值闭环，当功率流向变化时，需切换主控管。这类方法需要额外的状态逻辑单元、绝对值电路以及选通信号，除非不利用电感电流的正负作为正反向工作的标志，例如文献[8]采用类滑模控制给出正反向切换的信号，否则一般直接采用电感电流平均值闭环，可节省硬件开销，有利于实现正反向的无缝切换。

本文基于超级电容储能系统，研究了电感电流直接闭环的buck/boost双向直流变换器的基本切换原理，论述了基于直流母线电压闭环的双向控制方法，针对该法存在的问题，论述了几种改进措施。

图1 城轨交通超级电容储能系统示意Fig.1 Schematic diagram of super-capacitor energy storage system for urban transportation

图2 Buck/boost双向直流变换器原理Fig.2 Schematic diagram of buck/boost bi-directional dc/dc converter

图3 采用电感电流绝对值闭环的双向控制示意Fig.3 Schematic diagram of bi-directional control method using the absolute value of iL

1 Buck/boost双向直流变换器的基本切换原理

Buck/boost双向直流变换器的切换指如何实现其正反向工作调度，主要有两方面内容：①是如何使得变换器可以正反向自由工作；②是判断变换器正反向工作的时刻。为便于描述，以buck方向为功率流正方向。

对于第1个问题，一端源一端负载的情况是：buck模式工作的时候，电感侧接负载，高压侧接直流源，因为负载不能发出有功功率，功率自然正向流动；boost模式工作的时候，电感侧接电源，高压侧接负载，功率只能反向流动。而对于储能系统中两端源的应用场合，假设开环工作，只给一个固定的占空比，那么如何判断变换器的工作方向呢？根据状态空间平均法，可对buck/boost双向直流变换器进行统一建模[9]，此时电感电流平均值IL有正有负，带有方向信息。则直流工作点的稳态方程为

式中：VH为高压侧电压；VL为低压侧电压；rS为电感绕组电阻及线路寄生阻；D为稳态占空比。由式（1）可见，稳态占空比D的大小决定功率流向。存在一个临界占空比D0=VL/VH，当D＞D0时，变换器工作在buck模式，储能元件充电；当D＜D0时，变换器工作在boost模式，储能元件放电。因此，变换器的工作方向是由稳态占空比决定的。对于电感电流闭环的应用场合，占空比是随电路工作状态自动调节的，要改变稳态占空比D，只需改变电流IL，由此实现正反向工作调度。

如图4所示为通过改变电感电流基准实现正反向调度的电感电流仿真波形。开机启动后变换器工作在10 A的充电模式，25 ms时，改变电流基准为-10 A，切换到10 A的放电模式。因此，电感电流IL可作为改变功率流向或大小的控制变量，无论是作为单电流闭环里的直接控制变量还是电压电流双环里的间接控制变量，由此解答了第1个问题。

图4 改变电感电流基准实现正反向工作调度仿真结果Fig.4 Simulation result of bi-directional operating mode switching by changing IL

对于第2个问题，如何判断何时充电何时放电，即切换时刻的确定。储能系统的充放电是由系统的功率状况决定的，当输入功率＞负载功率时，为避免母线电压的上升影响其余负载的工作，储能元件充电；当输入功率＜负载功率时，储能元件放电以提供部分负载功率，实现系统的功率平衡。具体实现时，一种方法就是实时监测输入功率和负载功率，通过两者之差判断充放电状态以及充放电功率。另外，当系统出现功率偏差的时候，对于一个直流母线架构的应用场合来说，最直接的表现就是母线电压的升高或降低，并可以通过母线电压的变化率得到功率的变化趋势。因此，另一种方法就是通过母线电压外环得到充放电电流基准，这种方法只需要检测母线电压，并可以计算出其一阶导数，得到功率的变化趋势，简单可靠。上述方法具体实现时都可以采用带有方向的电感电流平均值直接闭环，逻辑简单，方便操作。

2 buck/boost双向直流变换器基于直流母线电压的切换控制方法

2.1 基本原理及模拟实现

图5（a）所示为采用母线电压外环、电感电流内环的双环控制策略的模拟实现示意[10]。电压控制器的反相端为母线电压采样值Ub，同相端为母线电压基准值Ub_ref，电压环的输出作为电流环的基准。对应图5（a）中接法，当母线电压Ub较低，小于母线电压基准Ub_ref时，电压环输出为正，此时储能元件应该放电维持母线电压，变换器工作在boost模式，因此，该接法以boost方向电流为正。在规定boost方向为电流正方向后，图5（a）中所示Ugsa驱动始终对应boost的主控管，即图2中的Q1管；Ugsb驱动始终对应buck的主控管，即图2中的Q2管。

假设变换器原来工作在buck模式，储能元件充电，电感电流基准即电压环输出为负。当列车制动时，母线电压Ub升高，电压环输出负向增大，对应buck模式下的电流基准变大，则Ugsa占空比减小，Ugsb占空比增加，储能元件加速吸收能量，使得母线电压回落；当列车牵引时，母线电压Ub降低，电压环输出由负变正，对应boost模式下的电流基准变大，则Ugsa占空比增加，Ugsb占空比减小，储能元件释放能量以补充牵引功率，最终使得母线电压在一定范围内波动。由于直接采用带方向的电感电流平均值闭环，因此正反向工作无需切换主辅管。

图5 基于直流母线电压外环的两种双向控制方法示意Fig.5 Schematic diagram of two bi-directional control methods based on the bus voltage outer loop

图5（a）所示电压环接法表示以boost方向为正。当同相端和反相端的信号交换，如图5（b）所示，此时若母线电压Ub较高，储能元件应充电，而此时电压环的输出为正，即该接法下，以buck方向电感电流为正。此时，Ugsa驱动始终对应buck主管，即图2中Q2管；Ugsb驱动对应图2中Q1管。同样地，当发生正反向电流切换时，无需切换主辅管。

由以上两种接法可看出：母线电压外环的接法确定了电流正方向，电流正方向确定了Ugsa作为该方向下主控管的驱动。

图6所示为母线电压外环基准为80 V的仿真波形。开机启动后空载，100 ms时，接入能馈型负载，母线电压有一个向上的波动，变换器切换到buck模式充电；200 ms时，能馈型负载退出，母线电压有一个向下的波动，电感电流调整至0；300 ms时，接入脉冲负载，母线电压下降，变换器切换到boost模式放电，400 ms时，脉冲负载退出，母线电压有一个向上的波动，电感电流调整至0。通过母线电压的变化控制充放电方向，使得稳态时母线电压维持在80 V，实现了基于直流母线电压的切换控制方法。

2.2 数字实现

由于数字信号处理器DSP（digital signal processor）采用正电源供电，不能处理负值信号，所以若采用DSP控制，需对采样得到的带方向的电感电流进行正值处理，同时不破坏整个闭环控制的逻辑。采用运放构成的加法器电路对采样值增加1.65 V的偏置电压。若将原采样值限制在-1.65 V～+1.65 V之间，则增加偏置后，对应输入DSP的采样值为0～3.3 V。增加偏置没有破坏正方向逻辑，因此仍可以在第3.1节所述的正方向下实现双向的闭环控制。

图6 基于直流母线电压切换控制的仿真波形Fig.6 Simulation results of switching control based on bus voltage

3 优化措施

3.1 增加储能元件能量管理的优化措施

第2.1节中所述基于直流母线电压的切换控制方法没有考虑储能元件的能量管理。实际使用时，可能会出现过充、过放，影响储能元件的使用寿命[11]。文献[12]给出一种考虑超级电容能量状态的恒压闭环控制方法。如图7所示，在母线电压环输出处叠加储能元件端电压环的输出作为电感电流基准，图中接法以buck方向为正。当母线电压Ub大于基准电压Ub_ref时，经过限幅环节，输出一个正的充电电流基准。若此时超级电容的电压高于最大限压值Usc_max，则最终给定的电流基准为0，即不对超级电容进行充电。同理，当母线电压Ub小于基准电压Ub_ref时，输出一个负的放电电流基准。此时，若超级电容电压高于Usc_min，则以该电流基准放电；若超级电容电压已经低于Usc_min，则超级电容不放电，这样就可以防止过充、过放，起到保护超级电容的作用。

对于超级电容，电压和能量的关系满足为

超级电容的SOC可简单而准确地判断为

图7 含有超级电容能量管理的双向控制框图Fig.7 Block diagram of bi-directional control with super-capacitor energy storage system

式中：Csc为超级电容容量；Usc为超级电容端电压；Urated为超级电容的额定电压。由于超级电容端电压及其能量有明确的对应关系，因此针对其端电压对其管理即可。而超级电容的端电压在充放电过程中变化较大，为保证双向直流变换器的工作性能，一般设定Usc_min=0.5Urated=0.5Uratedsc_max，则对应的SOC范围为（0.25,1），此时放电深度为75%。

这种考虑储能元件能量状态的恒压闭环控制方法提供了一种在整体充放电趋势确定的基础上添加储能元件能量管理的思路，并且在给定电流正方向后，所有的电压环也是有正方向的，即电压环的接法可唯一确定。

3.2 减小电池频繁充放电的优化措施

温度是影响储能元件寿命的主要因素之一[13]。在一定的环境温度下，储能元件温升主要由充放电电流决定。对于相同电荷，采用平均电流充放电产生的热量最小，因此要避免电流基准的频繁改变。此外，由于化学电池是依靠载流子在电解液中移动来工作的，因此响应频率有限。它具有双电层效应，当流过高频电流时（车载铅酸蓄电池的正极和负极的截止频率分别是10 Hz和100 Hz），高频分量可认为被电池内部的双层电容和电量转移反应的等效电阻组成的RC网络低通滤波，当电流的频率和幅值足够高，双层电容可能会“崩溃”，进而导致电池的混乱或损害[14]。因此要尽量减少电流基准的高频变化。而基于母线电压外环控制方法中电流基准频繁变化的主要原因就是母线电压的变化。

为解决该问题，文献[4]给出2个电压基准UH和UL，系统控制框图如图8所示，以buck方向为正。只有当母线电压高于较大的电压基准UH并且超级电容的电压低于Usc_max时，才给出一个合适的充电电流基准；只有当母线电压低于较小的电压基准UL并且超级电容的电压高于Usc_min时，才给出一个负的放电电流基准。当母线电压在UH和UL之间时，变换器不工作，这在一定程度上避免了单一母线电压基准带来的储能元件频繁充放电问题。

上述做法相当于对输入增加滤波器，即对某部分电压波动不响应，这样可以减小输入或负载扰动带来的储能元件频繁充放电。除此以外，还可以采用非线性的响应方法，相当于对输出增加滤波器，进行选择性输出。文献[15]中给出一种多滞环电流基准给定的方案，如图9所示。在电流基准的给定中增加滞环环节，通过监测母线实时电压，结合上时刻母线电压，确定这一时刻电流基准给定。该做法可以在一定程度上减少储能元件充放电电流基准的频繁变化。

图8 采用分段母线电压基准的双向控制框图Fig.8 Block diagram of bi-directional control using piecewise bus voltage reference

图9 多滞环电流给定计算单元Fig.9 Calculation unit of multi-hysteresis current reference set system

3.3 减小母线电压波动的优化措施

由于直流母线上还有其他用电负载或者功率变换器，当母线电压发生大的波动时，会使得其余用电负载不能正常工作，增加功率管的应力，影响系统的可靠性。这里需要注意的是，虽然允许储能元件的频繁充放电可以在一定程度上减小母线电压的波动，但影响储能元件的寿命。因此，改进需从其他角度切入。因为当系统有功率偏差反映到直流母线电压上时就已经有延迟，而通过母线电压外环来给出储能元件的充放电电流基准需要经过一个PI调节器，积分环节会有时间延迟。所以，减小母线电压瞬时大波动的改进措施通常是加快控制器的响应。

对于采用线性PI控制的变换器来说，通常采用加前馈的方法。文献[16]提出增加负载电流和超级电容端电压前馈，可以在母线电压变化之前将负载变化传递到控制环路，调节占空比，减小母线电压波动；文献[17]针对地铁牵引系统，增加了一个速度前馈，自适应调节母线电压基准。如图10所示，当列车牵引时，提高牵引母线电流基准，此时母线电压基准抬高，若原来工作在充电模式，则减小充电电流；若原来工作在放电模式，则加大放电电流。相当于提前响应功率需求，可减小母线电压波动。

图10 母线电压基准自适应调节控制框图Fig.10 Block diagram of adaptive control of bus voltage reference

4 结语

本文首先讨论了应用在储能系统中的双向DC/DC变换器的双向切换本质是改变占空比。对于采用闭环控制的应用场合，可通过修改电流基准、母线电压基准或通过母线电压的变化来直接或间接地改变电感电流基准，进而调节占空比以调节功率流向或功率大小。本文对基于母线电压外环的双向切换控制方法进行了重点介绍，该方法采用带方向的电感电流直接闭环，避免了传统的采用电感电流绝对值闭环带来的主辅管切换问题，通过增加电流基准偏置将电感电流直接闭环的方法推广到数字应用场合。最后，从储能元件的能量管理、减少化学电池频繁充放电以及减小母线电压波动的角度给出了改进着手点，并阐述了相应的改进措施。

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陈菲

陈菲（1990-），女，通信作者，硕士研究生，研究方向：双向直流变换器及其控制策略，高峰均比脉冲功率的平抑，E-mail：1240566755@qq.com。

张方华（1976-），男，中国电源学会高级会员，博士，教授，研究方向：电力电子技术、可持续能源发电及并网控制技术、航空电源、半导体照明驱动技术，E-mail：zhangfh@nuaa.edu.cn。

Control Methods for Bi-directional DC/DC Converters

CHEN Fei,ZHANG Fanghua
（College of Automation Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 211106,China）

The main control target of bi-directional DC/DC converters is to achieve the steady state of the load while considering the state of charge of the chemical storage unit in the energy storage system.When the load power demands more or less than the main power supply provides,the bi-directional DC/DC converter should be controlled to release or absorb energy to make the load work normally.The existing bi-directional control methods are summarized,and the principle of bi-directional switching is introduced.Especially,the double-loop control strategy which has a dc bus voltage outer loop and makes use of the average inductor current with direction information as the inner loop is introduced.Aiming at the problems of the fluctuation of the dc bus voltage and damages done to the batteries when the converter charges or discharges frequently in the constant voltage control method,the corresponding optimizing solutions are expounded.

bi-directional DC/DC converters;energy storage system;principle of bi-directional switching;the dc bus voltage outer loop

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.6.134

TM46

A

2015-12-10；

2016-03-14

江苏省“青蓝工程”资助项目

Project Supported by Qing Lan Project of Jiangsu province