4.7 基于双向Buck/Boost变换器的BESS充放电控制在线视频

同学们好

本节课我们将通过一个仿真算例

介绍双向Buck-Boost变换器

蓄电池储能系统的充放电控制

内容包括

系统控制策略的简单介绍

双向Buck-Boost变换器的

主电路参数设计

控制参数设计

以及充放电控制仿真算例

在蓄电池储能系统的应用中

双向DCDC变换器

作为蓄电池组的接口变换装置

可以采用电压控制或电流控制

具体采用何种控制方式

应根据应用场景

和系统分配的控制目标确定

我们先看电压控制方式

在多级系统中

为了保证系统稳定运行

各级变换器根据实现功能

分配不同的控制目标

如在图中所示的两极变换系统中

储能系统用于参与电网功率的调节

此时通常由DCDC变换器

进行直流母线电压的控制

维持中间直流母线电压的恒定

而由DCAC变换器进行并网功率的控制

满足系统的功率指令

第二种为电流控制方式

如在下图所示的

平抑新能源发电功率波动的应用中

储能系统的目标是通过充放电控制

保证并网功率没有高频波动分量

那么此时双向DCDC变换器

就可以采用电流或功率控制

平抑光伏输出的波动功率

而由DCAC变换器

进行直流母线电压的控制

那么与光伏阵列相连的Boost变换器呢

则进行最大功率跟踪控制

对于这个系统而言

这个并不是唯一的控制策略

双向DCDC

和这个DCAC变换器的角色是可以互换的

接下来我们介绍

双向Buck-Boost变换器主电路参数的设计

主要是确定电路中电感

和电容的额定参数

首先呢

介绍电感的设计方法

决定电感大小的主要考虑因素是电流纹波

由电感电压和电流的工作波形

我们看

在0-DT

也就是S1导通的时间段

电感承受的电压是Vc1-Vc2

电感电流下降ΔiL

那么我们根据电感自身的伏安特性关系

可列等式

电感电压Vc1-Vc2=L*(-ΔiL)/DT

这里D为开关管S1导通的稳态占空比

可由输入输出电压的关系确定

也就是稳态时

占空比D=Vc1/Vc2

由此我们可以推导得到电杆L的表达式

由这个式子可见

根据电感电流纹波ΔiL的需求

可计算所需电感值L的大小

决定电容大小的主要考虑因素

是电压纹波要求

这里介绍一种工程近似的设计方法

以高压侧电容为例

设功率是由低压侧传递至高压侧

我们假设稳态时

高压侧负载电流I二是近似平直的

那么从工作原理的波形可以看出

在S1触发的阶段

D1导通

电感电流由二极管D1流向高压侧

电容C2充电

红色部分面积为C2充电的电量

而在S2导通时

C2与R2

V2能够构成放电回路

绿色部分的面积就是C2放电的电量

我们根据放电区间电容能量变化

计算电压纹波与电容的关系式

显然在DT到T区间

放电的电量为ΔQ2

也就是绿色部分的面积呢

就等于I2（1-D）T

又由电容自身定义

C=Q/U可知

电容在电压变化ΔVc2时

电量的变化量

为ΔQ2=C2ΔVc2

我们根据这两个式子

可以得到电容C2的表达式

由这个式子可知

根据电容电压纹波ΔVc2的需求呢

就能够确定所需电容容值的大小

同理

对于低压侧电容

我们根据电容在稳态时

一个开关周期内充放电电量平衡

和电容自身的特性

可以得到低压侧电容设计式为

C1=TΔiL/8ΔVc1

那么由这个式子可见

低压侧电容是和电感电流纹波

还有电容电压纹波均有关系的

下面我们来介绍

双向Buck-Boost变换器的控制参数设计

那在前面

建立小信号模型的时候

我们已经得到了变换器

由S1的占空比d1

到电感电流IL的传递函数Gid(s)

以及由电感电流iL

到高压侧输出电压的传递函数Gvi(s)

表示成框图的形式

如右边图A所示

它从占空比d

到高压侧直流母线电压vc2

经过两级传递函数串联形式

我们说根据该串级形式

可以设计双闭环控制策略

如下图B中所示

那么电感电流是作为内环进行控制的

然后直流母线电压通过外环进行控制

具体来说就是通过电流反馈调节占空比

可以改变电感电流

然后电流改变之后呢

进而可以控制直流母线电压Vc2

关于控制参数呢

因为被控变量均为直流量

所以我们内环外环的控制器

均采用PID控制器

在对PI参数进行设计的时候

先设计电流内环

使其满足性能要求后

再设计电压外环的控制参数

根据控制框图

我们很容易可以推导得到

电流内环的开环传递函数GIOS

就等于PI控制器的传递函数和Gid(s)的乘积

那么有了开环传递函数后

闭环传递函数Gic就等于Gio/(1+Gio)

然后将确定的主电路参数带入传递函数

然后根据自动控制理论经典频域设计方法

可以绘制系统频率响应Bode曲线

并进行参数设计

我们看

在我们这个算了一下

当我们把PI控制器比例系数设为0.005

积分系数等于0.01的时候呢

电流环的bode曲线如右边的图所示

图中蓝色的这条曲线是开关曲线

红色曲线为闭环曲线

那么从开环曲线可以看出

电流环的截止频率约为358Hz

略小于开关频率5kHz的十分之一

它的幅值裕度无穷大

相角裕度为91 7度

满足我们稳定裕度的要求

在电流内环PI参数确定之后呢

其闭环传递函数Gic也就是确定的了

那么电流环部分就可以简化为

用其闭环传递函数Gics表示

我们根据该简化的控制框图

很容易可以推导得到

电压外环开环

传递函数Gvcs

和闭环传递函数GVCS

然后再根据经典频率控制设计方法

设计电压环的PI参数

当我们把比例系数等于五十

积分系数等于一千的时候

电压环Bode曲线如右边这个图所示

蓝色曲线呢就是开环频率特性

红色曲线是闭环特性

那么由开环Bode曲线可以看出

电压环的截止频率约为15.9Hz

稳定裕度也满足要求

我们还可以画出Nyquist图

进一步验证它的稳定性

如图中所示

Nyquist特性曲线没有围绕-1 j0点

表明系统在所选取的控制参数下是稳定的

最后

根据前面给出的双向DCDC电路参数设计

和双闭环控制策略

在matlab simulink中搭建仿真模型

低压侧接蓄电池

高压侧呢用可控电压源串联一个电阻

来模拟可变的负载

双向DCDC的控制目标

就是控制高压侧这个电容C2上的电压

为给定值的800V

右边是仿真结果

从仿真结果我们可以看到

在0.5s之前

母线电压VC2呢

很好的控制在了给定值800V

此时电感电流为正值

由电池侧流向直流母线侧

储能系统呢是处于放电的状态

然后在零点五秒的时刻

我们给给高压侧可控电源一个阶跃扰动

使等效的负载功率反向

这时候我们看母线电压会突增

那么DCDC变换器

为了维持输出母线电压恒定

在它控制器的作用下

蓄电池系统就会立即

由放电状态转为充电状态

我们看如图中iL

由正值变为负值

母线电压VC2呢

则能够很快的恢复到给定值800V

在上一个仿真的基础上

我们增加DCAC变换器

及其控制系统的模型

构成两极变换储能系统

如图中所示

蓄电池经过双向DCDC接到直流母线

然后再通过DCAC并入交流电网

控制策略呢为

DC/DC级控制直流母线电压恒定

DCAC级控制并网功率

那么DCAC变换器呢

就采用dq 坐标系下的双通道解耦控制

框图如左图所示

右图为仿真结果

我们看

在零点一秒之前

DCAC有功功率指令为-50kW

图中功率为标幺值-1

基值取的是50kW

DC/DC呢能够维持

直流母线电压800V为恒定值

然后在零点一秒时刻

DCAC有功功率指令从-50kW

变为+50kW

可看到图中的有功功率

迅速切换为标幺值+1

那么由于功率反向

直流母线电压Vc2会突增

此时双向DCDC

为了控制直流母线电压恒定呢

它就会由放电状态转入充电状态

iL由正值变为负值

然后直流母线电压经过一个过渡过程

重新进入稳态值800V

好以上就是我们本节课的学习内容

同学们再见