陳 菲，張方華

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106）

雙向直流變換器控制方法

陳 菲，張方華

（南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106）

雙向直流變換器配合蓄電池或超級(jí)電容等化學(xué)儲(chǔ)能元件應(yīng)用在具有直流母線支撐的系統(tǒng)中時(shí)，其主要控制目標(biāo)為結(jié)合儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)實(shí)現(xiàn)負(fù)載的穩(wěn)定工作。當(dāng)負(fù)載功率大于主供電功率時(shí)，控制儲(chǔ)能元件釋放能量以滿足負(fù)載功率需求；當(dāng)負(fù)載功率小于主供電功率時(shí)，控制儲(chǔ)能元件吸收能量以避免母線電壓上升。歸納和總結(jié)了現(xiàn)有的雙向控制方法，詳細(xì)分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)中變換器兩端均為直流源的應(yīng)用場合時(shí)雙向直流變換器的雙向切換原理，重點(diǎn)研究了采用帶有方向信息的電感電流平均值作為電流內(nèi)環(huán)、直流母線電壓作為電壓外環(huán)的雙向控制方法。針對(duì)該控制方法中存在的母線電壓波動(dòng)和電池頻繁充放電的問題，闡述了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

雙向直流變換器；儲(chǔ)能系統(tǒng)；雙向切換原理；直流母線電壓外環(huán)

雙向直流變換器配合蓄電池等化學(xué)儲(chǔ)能元件作為能量存儲(chǔ)裝置在不間斷供電UPS（uninterruptible power supply）、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)電動(dòng)/制動(dòng)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。

一種城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)示意如圖1所示，它由1 500 V直流牽引接觸網(wǎng)、雙向直流變換器、單向逆變器、三相電機(jī)及超級(jí)電容組成[4]。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生制動(dòng)能量，雙向直流變換器工作在充電模式，儲(chǔ)能元件吸收能量；當(dāng)列車牽引時(shí)，雙向直流變換器工作在放電模式，儲(chǔ)能元件釋放能量以滿足牽引功率需求。雙向直流變換器應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)中時(shí)，其控制目標(biāo)主要有兩點(diǎn)：一是作為松弛終端幫助維持直流母線電壓以保證母線上其余負(fù)載或變換器的正常工作；二是結(jié)合儲(chǔ)能元件的荷電狀態(tài)SOC（state-of-charge），對(duì)其進(jìn)行合理的充放電控制。

Buck/boost雙向直流變換器具有功率器件少、易于控制、效率較高等優(yōu)點(diǎn)[5-6]，因此通常采用其單體或其組合作為化學(xué)儲(chǔ)能元件前端的變換器。圖2所示為buck/boost雙向直流變換器原理，其中，Q1為boost模式下的主控管，Q2為buck模式下的主控管。Buck/boost變換器應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)中時(shí)，傳統(tǒng)的控制方法通常采用兩套電壓電流雙閉環(huán)，如圖3所示[7]。充電時(shí)，采用儲(chǔ)能元件端電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)以控制儲(chǔ)能元件充電功率；放電時(shí)，采用直流母線電壓外環(huán)，電感電流內(nèi)環(huán)以控制母線電壓。但由于采用電感電流絕對(duì)值閉環(huán)，當(dāng)功率流向變化時(shí)，需切換主控管。這類方法需要額外的狀態(tài)邏輯單元、絕對(duì)值電路以及選通信號(hào)，除非不利用電感電流的正負(fù)作為正反向工作的標(biāo)志，例如文獻(xiàn)[8]采用類滑?？刂平o出正反向切換的信號(hào)，否則一般直接采用電感電流平均值閉環(huán)，可節(jié)省硬件開銷，有利于實(shí)現(xiàn)正反向的無縫切換。

本文基于超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，研究了電感電流直接閉環(huán)的buck/boost雙向直流變換器的基本切換原理，論述了基于直流母線電壓閉環(huán)的雙向控制方法，針對(duì)該法存在的問題，論述了幾種改進(jìn)措施。

圖1 城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of super-capacitor energy storage system for urban transportation

圖2 Buck/boost雙向直流變換器原理Fig.2 Schematic diagram of buck/boost bi-directional dc/dc converter

圖3 采用電感電流絕對(duì)值閉環(huán)的雙向控制示意Fig.3 Schematic diagram of bi-directional control method using the absolute value of iL

1 Buck/boost雙向直流變換器的基本切換原理

Buck/boost雙向直流變換器的切換指如何實(shí)現(xiàn)其正反向工作調(diào)度，主要有兩方面內(nèi)容：①是如何使得變換器可以正反向自由工作；②是判斷變換器正反向工作的時(shí)刻。為便于描述，以buck方向?yàn)楣β柿髡较颉?/p>

對(duì)于第1個(gè)問題，一端源一端負(fù)載的情況是：buck模式工作的時(shí)候，電感側(cè)接負(fù)載，高壓側(cè)接直流源，因?yàn)樨?fù)載不能發(fā)出有功功率，功率自然正向流動(dòng)；boost模式工作的時(shí)候，電感側(cè)接電源，高壓側(cè)接負(fù)載，功率只能反向流動(dòng)。而對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)中兩端源的應(yīng)用場合，假設(shè)開環(huán)工作，只給一個(gè)固定的占空比，那么如何判斷變換器的工作方向呢？根據(jù)狀態(tài)空間平均法，可對(duì)buck/boost雙向直流變換器進(jìn)行統(tǒng)一建模[9]，此時(shí)電感電流平均值IL有正有負(fù)，帶有方向信息。則直流工作點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)方程為

式中：VH為高壓側(cè)電壓；VL為低壓側(cè)電壓；rS為電感繞組電阻及線路寄生阻；D為穩(wěn)態(tài)占空比。由式（1）可見，穩(wěn)態(tài)占空比D的大小決定功率流向。存在一個(gè)臨界占空比D0=VL/VH，當(dāng)D＞D0時(shí)，變換器工作在buck模式，儲(chǔ)能元件充電；當(dāng)D＜D0時(shí)，變換器工作在boost模式，儲(chǔ)能元件放電。因此，變換器的工作方向是由穩(wěn)態(tài)占空比決定的。對(duì)于電感電流閉環(huán)的應(yīng)用場合，占空比是隨電路工作狀態(tài)自動(dòng)調(diào)節(jié)的，要改變穩(wěn)態(tài)占空比D，只需改變電流IL，由此實(shí)現(xiàn)正反向工作調(diào)度。

如圖4所示為通過改變電感電流基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)正反向調(diào)度的電感電流仿真波形。開機(jī)啟動(dòng)后變換器工作在10 A的充電模式，25 ms時(shí)，改變電流基準(zhǔn)為-10 A，切換到10 A的放電模式。因此，電感電流IL可作為改變功率流向或大小的控制變量，無論是作為單電流閉環(huán)里的直接控制變量還是電壓電流雙環(huán)里的間接控制變量，由此解答了第1個(gè)問題。

圖4 改變電感電流基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)正反向工作調(diào)度仿真結(jié)果Fig.4 Simulation result of bi-directional operating mode switching by changing IL

對(duì)于第2個(gè)問題，如何判斷何時(shí)充電何時(shí)放電，即切換時(shí)刻的確定。儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電是由系統(tǒng)的功率狀況決定的，當(dāng)輸入功率＞負(fù)載功率時(shí)，為避免母線電壓的上升影響其余負(fù)載的工作，儲(chǔ)能元件充電；當(dāng)輸入功率＜負(fù)載功率時(shí)，儲(chǔ)能元件放電以提供部分負(fù)載功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，一種方法就是實(shí)時(shí)監(jiān)測輸入功率和負(fù)載功率，通過兩者之差判斷充放電狀態(tài)以及充放電功率。另外，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)功率偏差的時(shí)候，對(duì)于一個(gè)直流母線架構(gòu)的應(yīng)用場合來說，最直接的表現(xiàn)就是母線電壓的升高或降低，并可以通過母線電壓的變化率得到功率的變化趨勢。因此，另一種方法就是通過母線電壓外環(huán)得到充放電電流基準(zhǔn)，這種方法只需要檢測母線電壓，并可以計(jì)算出其一階導(dǎo)數(shù)，得到功率的變化趨勢，簡單可靠。上述方法具體實(shí)現(xiàn)時(shí)都可以采用帶有方向的電感電流平均值直接閉環(huán)，邏輯簡單，方便操作。

2 buck/boost雙向直流變換器基于直流母線電壓的切換控制方法

2.1 基本原理及模擬實(shí)現(xiàn)

圖5（a）所示為采用母線電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略的模擬實(shí)現(xiàn)示意[10]。電壓控制器的反相端為母線電壓采樣值Ub，同相端為母線電壓基準(zhǔn)值Ub_ref，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的基準(zhǔn)。對(duì)應(yīng)圖5（a）中接法，當(dāng)母線電壓Ub較低，小于母線電壓基準(zhǔn)Ub_ref時(shí)，電壓環(huán)輸出為正，此時(shí)儲(chǔ)能元件應(yīng)該放電維持母線電壓，變換器工作在boost模式，因此，該接法以boost方向電流為正。在規(guī)定boost方向?yàn)殡娏髡较蚝?，圖5（a）中所示Ugsa驅(qū)動(dòng)始終對(duì)應(yīng)boost的主控管，即圖2中的Q1管；Ugsb驅(qū)動(dòng)始終對(duì)應(yīng)buck的主控管，即圖2中的Q2管。

假設(shè)變換器原來工作在buck模式，儲(chǔ)能元件充電，電感電流基準(zhǔn)即電壓環(huán)輸出為負(fù)。當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，母線電壓Ub升高，電壓環(huán)輸出負(fù)向增大，對(duì)應(yīng)buck模式下的電流基準(zhǔn)變大，則Ugsa占空比減小，Ugsb占空比增加，儲(chǔ)能元件加速吸收能量，使得母線電壓回落；當(dāng)列車牽引時(shí)，母線電壓Ub降低，電壓環(huán)輸出由負(fù)變正，對(duì)應(yīng)boost模式下的電流基準(zhǔn)變大，則Ugsa占空比增加，Ugsb占空比減小，儲(chǔ)能元件釋放能量以補(bǔ)充牽引功率，最終使得母線電壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由于直接采用帶方向的電感電流平均值閉環(huán)，因此正反向工作無需切換主輔管。

圖5 基于直流母線電壓外環(huán)的兩種雙向控制方法示意Fig.5 Schematic diagram of two bi-directional control methods based on the bus voltage outer loop

圖5（a）所示電壓環(huán)接法表示以boost方向?yàn)檎?。?dāng)同相端和反相端的信號(hào)交換，如圖5（b）所示，此時(shí)若母線電壓Ub較高，儲(chǔ)能元件應(yīng)充電，而此時(shí)電壓環(huán)的輸出為正，即該接法下，以buck方向電感電流為正。此時(shí)，Ugsa驅(qū)動(dòng)始終對(duì)應(yīng)buck主管，即圖2中Q2管；Ugsb驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)圖2中Q1管。同樣地，當(dāng)發(fā)生正反向電流切換時(shí)，無需切換主輔管。

由以上兩種接法可看出：母線電壓外環(huán)的接法確定了電流正方向，電流正方向確定了Ugsa作為該方向下主控管的驅(qū)動(dòng)。

圖6所示為母線電壓外環(huán)基準(zhǔn)為80 V的仿真波形。開機(jī)啟動(dòng)后空載，100 ms時(shí)，接入能饋型負(fù)載，母線電壓有一個(gè)向上的波動(dòng)，變換器切換到buck模式充電；200 ms時(shí)，能饋型負(fù)載退出，母線電壓有一個(gè)向下的波動(dòng)，電感電流調(diào)整至0；300 ms時(shí)，接入脈沖負(fù)載，母線電壓下降，變換器切換到boost模式放電，400 ms時(shí)，脈沖負(fù)載退出，母線電壓有一個(gè)向上的波動(dòng)，電感電流調(diào)整至0。通過母線電壓的變化控制充放電方向，使得穩(wěn)態(tài)時(shí)母線電壓維持在80 V，實(shí)現(xiàn)了基于直流母線電壓的切換控制方法。

2.2 數(shù)字實(shí)現(xiàn)

由于數(shù)字信號(hào)處理器DSP（digital signal processor）采用正電源供電，不能處理負(fù)值信號(hào)，所以若采用DSP控制，需對(duì)采樣得到的帶方向的電感電流進(jìn)行正值處理，同時(shí)不破壞整個(gè)閉環(huán)控制的邏輯。采用運(yùn)放構(gòu)成的加法器電路對(duì)采樣值增加1.65 V的偏置電壓。若將原采樣值限制在-1.65 V～+1.65 V之間，則增加偏置后，對(duì)應(yīng)輸入DSP的采樣值為0～3.3 V。增加偏置沒有破壞正方向邏輯，因此仍可以在第3.1節(jié)所述的正方向下實(shí)現(xiàn)雙向的閉環(huán)控制。

圖6 基于直流母線電壓切換控制的仿真波形Fig.6 Simulation results of switching control based on bus voltage

3 優(yōu)化措施

3.1 增加儲(chǔ)能元件能量管理的優(yōu)化措施

第2.1節(jié)中所述基于直流母線電壓的切換控制方法沒有考慮儲(chǔ)能元件的能量管理。實(shí)際使用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)過充、過放，影響儲(chǔ)能元件的使用壽命[11]。文獻(xiàn)[12]給出一種考慮超級(jí)電容能量狀態(tài)的恒壓閉環(huán)控制方法。如圖7所示，在母線電壓環(huán)輸出處疊加儲(chǔ)能元件端電壓環(huán)的輸出作為電感電流基準(zhǔn)，圖中接法以buck方向?yàn)檎?。?dāng)母線電壓Ub大于基準(zhǔn)電壓Ub_ref時(shí)，經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)，輸出一個(gè)正的充電電流基準(zhǔn)。若此時(shí)超級(jí)電容的電壓高于最大限壓值Usc_max，則最終給定的電流基準(zhǔn)為0，即不對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充電。同理，當(dāng)母線電壓Ub小于基準(zhǔn)電壓Ub_ref時(shí)，輸出一個(gè)負(fù)的放電電流基準(zhǔn)。此時(shí)，若超級(jí)電容電壓高于Usc_min，則以該電流基準(zhǔn)放電；若超級(jí)電容電壓已經(jīng)低于Usc_min，則超級(jí)電容不放電，這樣就可以防止過充、過放，起到保護(hù)超級(jí)電容的作用。

對(duì)于超級(jí)電容，電壓和能量的關(guān)系滿足為

超級(jí)電容的SOC可簡單而準(zhǔn)確地判斷為

圖7 含有超級(jí)電容能量管理的雙向控制框圖Fig.7 Block diagram of bi-directional control with super-capacitor energy storage system

式中：Csc為超級(jí)電容容量；Usc為超級(jí)電容端電壓；Urated為超級(jí)電容的額定電壓。由于超級(jí)電容端電壓及其能量有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此針對(duì)其端電壓對(duì)其管理即可。而超級(jí)電容的端電壓在充放電過程中變化較大，為保證雙向直流變換器的工作性能，一般設(shè)定Usc_min=0.5Urated=0.5Uratedsc_max，則對(duì)應(yīng)的SOC范圍為（0.25,1），此時(shí)放電深度為75%。

這種考慮儲(chǔ)能元件能量狀態(tài)的恒壓閉環(huán)控制方法提供了一種在整體充放電趨勢確定的基礎(chǔ)上添加儲(chǔ)能元件能量管理的思路，并且在給定電流正方向后，所有的電壓環(huán)也是有正方向的，即電壓環(huán)的接法可唯一確定。

3.2 減小電池頻繁充放電的優(yōu)化措施

溫度是影響儲(chǔ)能元件壽命的主要因素之一[13]。在一定的環(huán)境溫度下，儲(chǔ)能元件溫升主要由充放電電流決定。對(duì)于相同電荷，采用平均電流充放電產(chǎn)生的熱量最小，因此要避免電流基準(zhǔn)的頻繁改變。此外，由于化學(xué)電池是依靠載流子在電解液中移動(dòng)來工作的，因此響應(yīng)頻率有限。它具有雙電層效應(yīng)，當(dāng)流過高頻電流時(shí)（車載鉛酸蓄電池的正極和負(fù)極的截止頻率分別是10 Hz和100 Hz），高頻分量可認(rèn)為被電池內(nèi)部的雙層電容和電量轉(zhuǎn)移反應(yīng)的等效電阻組成的RC網(wǎng)絡(luò)低通濾波，當(dāng)電流的頻率和幅值足夠高，雙層電容可能會(huì)“崩潰”，進(jìn)而導(dǎo)致電池的混亂或損害[14]。因此要盡量減少電流基準(zhǔn)的高頻變化。而基于母線電壓外環(huán)控制方法中電流基準(zhǔn)頻繁變化的主要原因就是母線電壓的變化。

為解決該問題，文獻(xiàn)[4]給出2個(gè)電壓基準(zhǔn)UH和UL，系統(tǒng)控制框圖如圖8所示，以buck方向?yàn)檎?。只有?dāng)母線電壓高于較大的電壓基準(zhǔn)UH并且超級(jí)電容的電壓低于Usc_max時(shí)，才給出一個(gè)合適的充電電流基準(zhǔn)；只有當(dāng)母線電壓低于較小的電壓基準(zhǔn)UL并且超級(jí)電容的電壓高于Usc_min時(shí)，才給出一個(gè)負(fù)的放電電流基準(zhǔn)。當(dāng)母線電壓在UH和UL之間時(shí)，變換器不工作，這在一定程度上避免了單一母線電壓基準(zhǔn)帶來的儲(chǔ)能元件頻繁充放電問題。

上述做法相當(dāng)于對(duì)輸入增加濾波器，即對(duì)某部分電壓波動(dòng)不響應(yīng)，這樣可以減小輸入或負(fù)載擾動(dòng)帶來的儲(chǔ)能元件頻繁充放電。除此以外，還可以采用非線性的響應(yīng)方法，相當(dāng)于對(duì)輸出增加濾波器，進(jìn)行選擇性輸出。文獻(xiàn)[15]中給出一種多滯環(huán)電流基準(zhǔn)給定的方案，如圖9所示。在電流基準(zhǔn)的給定中增加滯環(huán)環(huán)節(jié)，通過監(jiān)測母線實(shí)時(shí)電壓，結(jié)合上時(shí)刻母線電壓，確定這一時(shí)刻電流基準(zhǔn)給定。該做法可以在一定程度上減少儲(chǔ)能元件充放電電流基準(zhǔn)的頻繁變化。

圖8 采用分段母線電壓基準(zhǔn)的雙向控制框圖Fig.8 Block diagram of bi-directional control using piecewise bus voltage reference

圖9 多滯環(huán)電流給定計(jì)算單元Fig.9 Calculation unit of multi-hysteresis current reference set system

3.3 減小母線電壓波動(dòng)的優(yōu)化措施

由于直流母線上還有其他用電負(fù)載或者功率變換器，當(dāng)母線電壓發(fā)生大的波動(dòng)時(shí)，會(huì)使得其余用電負(fù)載不能正常工作，增加功率管的應(yīng)力，影響系統(tǒng)的可靠性。這里需要注意的是，雖然允許儲(chǔ)能元件的頻繁充放電可以在一定程度上減小母線電壓的波動(dòng)，但影響儲(chǔ)能元件的壽命。因此，改進(jìn)需從其他角度切入。因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)有功率偏差反映到直流母線電壓上時(shí)就已經(jīng)有延遲，而通過母線電壓外環(huán)來給出儲(chǔ)能元件的充放電電流基準(zhǔn)需要經(jīng)過一個(gè)PI調(diào)節(jié)器，積分環(huán)節(jié)會(huì)有時(shí)間延遲。所以，減小母線電壓瞬時(shí)大波動(dòng)的改進(jìn)措施通常是加快控制器的響應(yīng)。

對(duì)于采用線性PI控制的變換器來說，通常采用加前饋的方法。文獻(xiàn)[16]提出增加負(fù)載電流和超級(jí)電容端電壓前饋，可以在母線電壓變化之前將負(fù)載變化傳遞到控制環(huán)路，調(diào)節(jié)占空比，減小母線電壓波動(dòng)；文獻(xiàn)[17]針對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)，增加了一個(gè)速度前饋，自適應(yīng)調(diào)節(jié)母線電壓基準(zhǔn)。如圖10所示，當(dāng)列車牽引時(shí)，提高牽引母線電流基準(zhǔn)，此時(shí)母線電壓基準(zhǔn)抬高，若原來工作在充電模式，則減小充電電流；若原來工作在放電模式，則加大放電電流。相當(dāng)于提前響應(yīng)功率需求，可減小母線電壓波動(dòng)。

圖10 母線電壓基準(zhǔn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制框圖Fig.10 Block diagram of adaptive control of bus voltage reference

4 結(jié)語

本文首先討論了應(yīng)用在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的雙向DC/DC變換器的雙向切換本質(zhì)是改變占空比。對(duì)于采用閉環(huán)控制的應(yīng)用場合，可通過修改電流基準(zhǔn)、母線電壓基準(zhǔn)或通過母線電壓的變化來直接或間接地改變電感電流基準(zhǔn)，進(jìn)而調(diào)節(jié)占空比以調(diào)節(jié)功率流向或功率大小。本文對(duì)基于母線電壓外環(huán)的雙向切換控制方法進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，該方法采用帶方向的電感電流直接閉環(huán)，避免了傳統(tǒng)的采用電感電流絕對(duì)值閉環(huán)帶來的主輔管切換問題，通過增加電流基準(zhǔn)偏置將電感電流直接閉環(huán)的方法推廣到數(shù)字應(yīng)用場合。最后，從儲(chǔ)能元件的能量管理、減少化學(xué)電池頻繁充放電以及減小母線電壓波動(dòng)的角度給出了改進(jìn)著手點(diǎn)，并闡述了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

[1]嚴(yán)仰光.雙向直流變換器[M].南京:江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[2]Li Xiao,Zhang Wenping,Li Haijin,et al.Design and control of bi-directional DC/DC converter for 30 kW fuel cell power system[C]//2011 IEEE 8th International Conference on Power Electronics and ECCE Asia（ICPEamp;ECCE）,IEEE,2011:1024-1030.

[3]Zhang Wei,Dong Dong,Cvetkovic I,et al.Lithium-based energy storage management for DC distributed renewable energy system[C]//Energy Conversion Congress and Exposition（ECCE）,2011 IEEE.IEEE,2011:3270-3277.

[4]武偉.城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2014.Wu Wei.Research on key technologies of super-capacitorbased energy storage systems for urban rail systems[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2014（in Chinese）.

[5]Sable D M,Lee F C,Cho B H.A zero-voltage-switching bidirectional battery charger/discharger for the NASA EOS satellite[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,1992.APEC'92.Conference Proceedings 1992.Seventh Annual.IEEE,1992:614-621.

[6]張方華.雙向DC-DC變換器的研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2004.Zhang Fanghua.Research on bidirectional DC-DC converter[D].Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2004（in Chinese）.

[7]廖志凌,阮新波.獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能量管理控制策略[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29（21）:46-52.Liao Zhiling,Ruan Xinbo.Energy management control strategy for stand-alone photovoltaic power system[J].Proceedings of the CSEE,2009,29（21）:46-52（in Chinese）.

[8]張明銳,李元浩,歐陽麗,等.基于混雜系統(tǒng)DC-DC變換器的永磁風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)直流母線電壓穩(wěn)定控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2015,30（4）:62-69.Zhang Mingrui,Li Yuanhao,Ouyang Li,et al.DC bus voltage stability control of DC-DC converter in the permanent magnet wind power grid-connected system based on hybrid system[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30（4）:62-69（in Chinese）.

[9]張國駒,唐西勝,周龍,等.基于互補(bǔ)PWM控制的Buck/Boost雙向變換器在超級(jí)電容器儲(chǔ)能中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2011,31（6）:15-21.Zhang Guoju,Tang Xisheng,Zhou Long,et al.Research on complementary PWM controlled Buck/Boost bidirectional converter in supercapacitor energy storage[J].Proceedings of the CSEE,2011,31（6）:15-21（in Chinese）.

[10]張秋瑞,葛寶明,畢大強(qiáng).超級(jí)電容在地鐵制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究[J].電氣化鐵道,2012,23（2）:40-43.

[11]李哲.純電動(dòng)汽車磷酸鐵鋰電池性能研究[D].北京:清華大學(xué),2011.Li Zhe.Study on the performance of lithium iron phosphate battery for pure electric vehicle[D].Beijing:Tsinghua University,2011（in Chinese）.

[12]許愛國.城市軌道交通再生制動(dòng)能量利用技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2009.Xu Aiguo.Research on regenerating energy utilization technique in urban rail system[D].Nanjing:Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2009（in Chinese）.

[13]時(shí)瑋.動(dòng)力鋰離子電池組壽命影響因素及測試方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.Shi Wei.Research on lifespan factors and test methods of traction lithium-ion batteries[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2014（in Chinese）.

[14]Jossen A.Fundamentals of battery dynamics[J].Journal of Power Sources,2006,154（2）:530-538.

[15]張國駒,唐西勝,齊智平.超級(jí)電容器與蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34（12）:85-89.Zhang Guoju,Tang Xisheng,Qi Zhiping.Application of hybrid energy storage system of super-capacitors and batteries in a microgrid[J].Automation of Electric Power Systems,2010,34（12）:85-89（ in Chinese）.

[16]杜新,朱凌.基于功率前饋的直流母線電壓控制方法研究[J].電力科學(xué)與工程,2013,29（8）:6-9.Du Xin,Zhu Ling.Research on Control Method of DC Bus Voltage Based on Power Feedforward[J].Electric Power Science and Engineering,2013,29（8）:6-9（in Chinese）.

[17]趙坤,王椹榕,王德偉,等.車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)間接電流控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26（9）:124-129.Zhao Kun,Wang Shenrong,Wang dewei,et al.Indirect current control strategy of on-board supercapacitor energy storage system of railway vehicle[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26（9）:124-129（in Chinese）.

陳菲

陳菲（1990-），女，通信作者，碩士研究生，研究方向：雙向直流變換器及其控制策略，高峰均比脈沖功率的平抑，E-mail：1240566755@qq.com。

張方華（1976-），男，中國電源學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，博士，教授，研究方向：電力電子技術(shù)、可持續(xù)能源發(fā)電及并網(wǎng)控制技術(shù)、航空電源、半導(dǎo)體照明驅(qū)動(dòng)技術(shù)，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

江蘇省“青藍(lán)工程”資助項(xiàng)目

Project Supported by Qing Lan Project of Jiangsu province