黃 美，趙毅君，何浩宇

(1.湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭 411100；2.湖南工程學(xué)院 湖南省風(fēng)電裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，湘潭 411100；3.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機組及控制湖南省重點實驗室，湘潭 411104)

0 引言

風(fēng)能作為一種新能源，已經(jīng)被廣泛地開發(fā)利用，而采用獨立變槳的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠有效地利用風(fēng)能，提高系統(tǒng)發(fā)電量[1].目前風(fēng)機變槳系統(tǒng)后備電源有蓄電池和超級電容器兩種方案.超級電容具有高效率、大電流放電、寬電壓范圍、寬溫度范圍、狀態(tài)易監(jiān)控、長循環(huán)壽命、免維護等特點，有效地提高了變槳電源的可靠性、安全性和免維護性.

為了穩(wěn)定超級電容的輸出電壓，滿足直流母線電壓的工作要求，在后備電源超級電容儲能系統(tǒng)中常采用雙向DC-DC變流器[2].當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，變流器工作于Buck模式，直流母線相當(dāng)于一個恒壓源，對超級電容充電，將能量存儲在超級電容中，以備下次及時啟用.當(dāng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)初始運行或電網(wǎng)故障，即直流母線故障時，該變流器工作在升壓模式，超級電容深度放電，釋放儲存的能量并繼續(xù)為伺服電機供電，變槳伺服系統(tǒng)得以繼續(xù)可靠平穩(wěn)工作，在緊急情況下及時順槳.變槳系統(tǒng)供電圖 如圖1所示.

圖1 變槳系統(tǒng)供電圖

1 基本DC-DC電路

1.1 基本Buck電路

降壓斬波電路(Buck Chopper)的作用是在不改變電壓的極性的情況下降低輸出電壓.

其工作原理圖如圖2所示.

圖2 降壓斬波電路原理圖

1.2 基本Boost電路

升壓斬波電路(Boost Chopper) 的設(shè)計目的是在不改變電壓的極性的情況下提高輸出電壓.其工作原理如圖3所示.

圖3 升壓斬波電路原理圖

2 雙向DC-DC電路

2.1 拓撲結(jié)構(gòu)

雙向DC-DC變換器有兩種模式，降壓模式和升壓模式.當(dāng)變流器工作在Buck模式時，雙向DC-DC變流器接驅(qū)動器一側(cè)為高壓側(cè)，即輸入端；接超級電容模組一側(cè)為低壓側(cè)，即輸出端.在Boost模式時，雙向DC-DC變流器接驅(qū)動器一側(cè)為高壓側(cè)，即輸出端；接超級電容模組一側(cè)為低壓側(cè)，即輸入端.變流器只改變高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓大小，但不改變極性[3].是通過改變占空比來控制IGBT1和IGBT2的通斷.

雙向DC-DC變換器的電路模型如圖4所示，主要由IGBT1、IGBT2、二極管D1、D2、D3、電感L、高壓側(cè)母線電容C1、C2與低壓側(cè)儲能超級電容C3和負載、電流霍爾HALL、熔斷器F組成.

圖4 雙向DC-DC變換器拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 工作原理

圖5為Buck工作模式，此時驅(qū)動器給超級電容模組充電.

Buck工作模式主要是為了降低輸出電壓，在此模式下，圖示左側(cè)為輸入端，右側(cè)為輸出端.輸出電壓低于輸入電壓.當(dāng)IGBT1開啟時， 設(shè)置IGBT2斷開，此時驅(qū)動器給超級電容模組C3充電，充電一段時間后，IGBT1斷開，存儲在超級電容模組C3中的能量通過IGBT2的續(xù)流二極管D2充電到超級電容模組[4].

圖5 Buck工作模式

圖6是Boost工作狀態(tài)，此時超級電容模組向驅(qū)動器提供電能[5].

升壓工作模式主要是為了提高輸出電壓[6].在這種模式下， 圖的左邊是輸出端，右邊是輸入端.輸出電壓高于輸入電壓.當(dāng)IGBT2導(dǎo)通時，將IGBT1設(shè)置為斷開，此時超級電容模組釋放電能并且儲存到超級電容模組C3中，經(jīng)過一定時間后，IGBT2斷開，電容模組C3中儲存的電能通過IGBT1的續(xù)流二極管D1供給驅(qū)動器.

圖6 Boost工作模式

3 雙向DC-DC控制電路的建模

以連續(xù)運行模式(CCM)為例，對DC-DC雙向變換器進行小信號擾動開關(guān)周期平均值動態(tài)建模.分兩個步驟進行，第一先建立開關(guān)周期動態(tài)模型，第二再引入小信號擾動，建立系統(tǒng)的小信號模型[7].

3.1 DC-DC電路的開關(guān)周期動態(tài)建模

令控制占空比為：

d(t)=D+Dmsinωmt

(1)

占空比擾動幅值Dm遠小于穩(wěn)態(tài)值D.且擾動的頻率遠小于變換器的開關(guān)頻率，即

ωm?ωs，ωs=2πfs.

第一步：為建立開關(guān)周期動態(tài)模型，定義開關(guān)周期平均算子為:

(2)

根據(jù)開關(guān)周期平均算子，可得出各電路元件的開關(guān)周期數(shù)學(xué)模型.

電感：

(3)

電容：

(4)

電阻：

〈uR(t)〉Ts=〈iR(t)〉TsR

(5)

將DC-DC電路中的開關(guān)元件看成兩端口網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示，則開關(guān)模型為：

圖7 兩端口開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

令，

d′(t)=1-d(t)

(7)

根據(jù)式(1)至式(7)建立的開關(guān)周期平均值模型如圖8所示.

圖8 DC-DC雙向變換器的開關(guān)周期平均值模型

3.2 小信號擾動的DC-DC電路的開關(guān)周期動態(tài)建模

為得到DC-DC的傳遞函數(shù)，還需對電路進行線性化處理，建立小信號模型.引入占空比“小擾動”，則式(1)的占空比可表示為：

(8)

將式(8)代入圖7中兩端開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的受控電壓源與受控電流源中，得到最終的開關(guān)周期與小信號模型如圖9所示.

圖9 小信號擾動的DC-DC開關(guān)周期平均模型

4 系統(tǒng)仿真

4.1 仿真模型

根據(jù)雙向DC-DC變換器的小信號擾動開關(guān)周期平均值模型，采用Matlab仿真，DC-DC雙向變換采用PI調(diào)節(jié)器進行閉環(huán)控制.仿真模型如圖10所示.

4.2 仿真結(jié)果

電路模型主要參數(shù)設(shè)置如下：

L1:2e-3H;

C1:(R=1e-6 Ohms C=1020e-6F);

C2:(R=1e-6 Ohms C=1500e-6F);

R: 100 Ohms.

首先，為了驗證Buck模式的有效性，Buck PI controller控制器模塊中的數(shù)據(jù)設(shè)置為：I_PID Buck 模塊中P=36，I=0.8，D=0，F(xiàn)ilter coefficient=100；I_PID Buck 1模塊中P=36，I=0.8，D=0，

圖10 仿真模型

Filter coefficient=100；PWM Generator 模塊中Frequency=10000 Hz.

設(shè)置電路中高壓側(cè)電壓為600 V，期望低壓側(cè)電壓值為200 V，設(shè)定降壓環(huán)節(jié)PI控制器中KP和Ki的參數(shù)，KP=36，Ki=0.8.

先對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行分析，系統(tǒng)bode圖如圖11所示，可以看出系統(tǒng)是穩(wěn)定的，未加PI控制時，雖然穩(wěn)定，但讀取相位穩(wěn)定裕量為8.53°，明顯偏小.引入PI控制后，相位裕量為32.3°，系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯增加.

Buck模式下仿真結(jié)果如圖12所示，輸入電壓在600 V時穩(wěn)定，輸出電壓在200 V時穩(wěn)定.輸出電壓小于輸入電壓，輸出電壓在0.13 s內(nèi)進入穩(wěn)定，電流在安全值以內(nèi)，紋波小.即達到了理想的控制效果.

為驗證Boost模式下的有效性.設(shè)置Boost PI controller控制器模塊中數(shù)據(jù)為：I_PID Boost模塊中P=10，I=0.5，D=0，F(xiàn)ilter coefficient=100；PWM Generator模塊中Frequency=10000 Hz.coefficient=100；V_PID Boost 1模塊中P=10，I=0.5，D=0，F(xiàn)ilter coefficient=100；PWM Generator模塊中Frequency=10000 Hz.

圖11 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

圖12 Buck模式下的仿真波形圖

設(shè)置電路中輸入低壓側(cè)電壓為200 V，期望輸出高壓側(cè)電壓值為400 V，設(shè)定升壓PI控制器中KP和Ki的參數(shù)，KP=10，Ki=0.5.

Boost模式下仿真結(jié)果如圖13所示，輸入電壓在200 V時，輸出電壓在400 V時穩(wěn)定，輸出電壓大于輸入電壓，輸出電壓0.1 s進入穩(wěn)定，紋波小.即達到了理想的控制效果.

圖13 Boost模式下的仿真波形圖

5 結(jié)語

本文給出了DC-DC變流器應(yīng)用風(fēng)機獨立變槳系統(tǒng)的超級電容能量的雙向能量變換控制，分析了系統(tǒng)的工作原理，即怎樣實現(xiàn)驅(qū)動器與超級電容模組之間的充放電.并對系統(tǒng)進行了小信號擾動下的平均周期動態(tài)建模，采用Matlab對系統(tǒng)進行了無PI控制與有PI控制時的穩(wěn)定性分析與比較.分別從高低壓側(cè)給定輸入電壓，通過設(shè)置PI控制器中的PI參數(shù)來獲得期望電壓，對Buck與Boost兩種工作情況驗證能量雙向PI控制的可能性.通過多次試驗得出了最優(yōu)PI控制參數(shù).仿真結(jié)果表明：雙向DC-DC變流器能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動器與超級電容模組之間的充放電，獲得了期望的控制效果.