劉藝 劉寶泉 王偉 陳鵬宇 李潤(rùn)琦

摘?要：蓄電池儲(chǔ)能是新能源發(fā)電及微電網(wǎng)的核心裝備，高動(dòng)態(tài)響應(yīng)始終是雙向DC/DC儲(chǔ)能變換器的關(guān)鍵指標(biāo).在沖擊性負(fù)載等大信號(hào)變化場(chǎng)景下蓄電池將高倍率放電，內(nèi)阻因素導(dǎo)致其端電壓大幅跌落，限制了后級(jí)DC/DC變換器的快速輸出能力.為了提升DC/DC變換器在寬輸入范圍場(chǎng)景下的響應(yīng)能力，在傳統(tǒng)電壓閉環(huán)基礎(chǔ)上，提出了一種Burst模式與輸入電壓和輸出負(fù)載前饋的復(fù)合控制策略.通過(guò)建立輸入電壓vin和負(fù)載電流iload對(duì)輸出電壓vo的擾動(dòng)函數(shù)，分析擾動(dòng)通道的作用機(jī)理和影響因素，快速估算跟蹤變換器的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，并建立擾動(dòng)抑制前饋函數(shù)，對(duì)占空比d進(jìn)行調(diào)節(jié)以提升系統(tǒng)的響應(yīng)速度.進(jìn)一步設(shè)計(jì)輸出電壓vo滯環(huán)，通過(guò)滯環(huán)調(diào)節(jié)使變換器進(jìn)入Burst模式以限制大信號(hào)變化場(chǎng)景下電壓vo的超調(diào)和振蕩.最后搭建了一臺(tái)功率為48 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所提出的Burst與雙前饋復(fù)合控制策略可有效提升大信號(hào)干擾下DC/DC變換器的響應(yīng)速度，更適用于大功率、寬輸入電壓范圍的應(yīng)用場(chǎng)景.

關(guān)鍵詞：Burst控制；輸入電壓前饋；輸出負(fù)載前饋

中圖分類(lèi)號(hào)：TM46

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：2096-398X（2023）04-0136-07

Abstract：Battery energy storage is the core equipment of new energy power generation and microgrid.High dynamics and high precision are always the key indicators of bidirectional DC/DC energy storage converters.In the scene of large signal change such as impact load，the battery will discharge at a high rate，and the internal resistance factor causes its terminal voltage to drop sharply，which limits the fast output capability of the downstream DC/DC converter.In order to improve the responsiveness of DC/DC converters in wide input range scenarios，based on the traditional voltage-current double closed loop，a composite control strategy of Burst mode and input voltage and output load feedforward is proposed.By establishing the disturbance function of the input voltage vg and the load current iload on the output voltage vo，the action mechanism and influencing factors of the disturbance channel are analyzed，the steady-state operating point of the converter is quickly estimated，the load disturbance component is extracted，and fed into the duty cycle d to adjust to improve system response speed.The output voltage vo hysteresis is further designed，and the converter enters the Burst mode through hysteresis adjustment to limit the overshoot and oscillation of the voltage vo in the scenario of large signal change.Finally，an experimental prototype with a power of 48 kW is built.The experimental results show that the Burst and double feedforward composite control strategy proposed in this paper can effectively improve the response speed of the DC/DC converter under large signal interference，and is more suitable for high power，wide Application scenarios for the input voltage range.

Key words：Burst control；input voltage feedforward control；output load feedforward

0?引言

國(guó)家“雙碳”目標(biāo)的達(dá)成需要新能源發(fā)電技術(shù)的強(qiáng)力支撐，源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)一體化勢(shì)在必行，集中式、分布式光伏與儲(chǔ)能有機(jī)結(jié)合，并組建微電網(wǎng)優(yōu)先為本地負(fù)荷供電是可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)趨勢(shì)［1-3］.蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)是新能源發(fā)電和微電網(wǎng)的核心裝備，主要用于波動(dòng)功率的平抑與消納，并可在并網(wǎng)條件下通過(guò)峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.雙向Buck/Boost變換器是蓄電池管理的重要拓?fù)?，僅通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)器件控制實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，適用中小功率的非隔離直流應(yīng)用場(chǎng)景［4］.高動(dòng)態(tài)與高精度始終是雙向DC/DC儲(chǔ)能變換器的關(guān)鍵指標(biāo)［5，6］.在功率劇烈波動(dòng)以及負(fù)載突變等場(chǎng)景下，蓄電池將高倍率放電，內(nèi)阻因素導(dǎo)致蓄電池端電壓瞬間大幅跌落.加載瞬間輸入電壓跌落限制了DC/DC變換器的快速響應(yīng)能力，超出關(guān)鍵負(fù)載用電指標(biāo)要求［7，8］.

針對(duì)上述問(wèn)題，科研人員進(jìn)行了大量研究工作，第一類(lèi)方法是在傳統(tǒng)閉環(huán)中加入前饋控制.文獻(xiàn)［9］提出了V2C組合型三環(huán)控制方式，電流環(huán)采用峰值電流型，綜合了V2控制方法和電流型控制方法的優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)［10］提出了輸入電壓前饋+比例積分（PI）調(diào)節(jié)的混合控制方式，通過(guò)狀態(tài)平均法建立數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用穩(wěn)定性邊界軌跡法指導(dǎo)PI控制的設(shè)計(jì)以及前饋比例系數(shù)；文獻(xiàn)［11］提出了在比例控制電壓模式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上將輸入電壓與電容電流采樣之和的積分作為PWM環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)載波信號(hào)，輸入電壓前饋確保了比例控制下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)無(wú)差以及良好的抗輸入擾動(dòng)能力；文獻(xiàn)［12］提出了帶輸入電壓前饋的兩模式平均電流控制策略，通過(guò)將具有電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)的平均電流控制與單載波-雙調(diào)制的調(diào)制方法相結(jié)合，來(lái)提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能.上述方法主要是基于變換器的小信號(hào)模型進(jìn)行前饋設(shè)計(jì)，提升變換器的抗干擾能力，但是對(duì)于輸入電壓大幅跌落的大信號(hào)場(chǎng)景，未能有效提升變換器的響應(yīng)速度.

第二類(lèi)方法是結(jié)合滯環(huán)控制即Burst控制模式提升變換器的性能.文獻(xiàn)［13］提出了一種改進(jìn)的數(shù)字電流滯環(huán)控制策略，在沿用已有的控制策略基礎(chǔ)上增加了對(duì)負(fù)載突變過(guò)程的檢測(cè)；文獻(xiàn)［14］提出一種基于微處理器的電流跟蹤控制方法，將電感電流控制在輸出電流的一個(gè)滯環(huán)寬度內(nèi)；文獻(xiàn)［15］提出了一種PWM滯環(huán)控制方法，將輸入電壓前饋信號(hào)通過(guò)添加兩個(gè)電阻和一個(gè)RC積分比較器電路網(wǎng)絡(luò)；文獻(xiàn)［16，17］提出了一種具有輸出電容電流補(bǔ)償?shù)男滦蜏h(huán)控制方法，通過(guò)在輸出電壓?jiǎn)苇h(huán)反饋中導(dǎo)入電容電流信息，將電容電流與輸出電壓相加作為反饋量，改善了電容充放電變化率，提高了負(fù)載突變時(shí)變換器的電壓精度.上述方法在變換器的響應(yīng)速度下取得了一定的改善，但其需要額外的信息采集通道，且參數(shù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對(duì)變換器模型精度要求較高.

本文針對(duì)寬輸入范圍Buck/Boost變換器的快速響應(yīng)問(wèn)題，提出一種Burst模式與輸入電壓和輸出負(fù)載前饋的復(fù)合控制策略.通過(guò)分析輸入電壓Vin和負(fù)載電流iload對(duì)電感電流iL的擾動(dòng)函數(shù)，快速估算變換器的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，建立各擾動(dòng)分量的前饋函數(shù).進(jìn)一步加入輸出電壓滯環(huán)，通過(guò)使變換器進(jìn)入Burst模式，限制大信號(hào)變化場(chǎng)景下輸出電壓的超調(diào)和振蕩.所提方法可有效提升寬輸入范圍場(chǎng)景下變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，具有良好的魯棒性和穩(wěn)定性.

1?Buck/Boost變換器數(shù)學(xué)模型與傳統(tǒng)閉環(huán)控制

1.1?Buck/Boost變換器小信號(hào)模型

Buck/Boost變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示.其中，S1、S2分別為上、下橋臂開(kāi)關(guān)管，Vin為直流輸入電壓，L為儲(chǔ)能電感，C為輸出電容，R為負(fù)載，S1與S2互補(bǔ)發(fā)波.

本文以小信號(hào)分析法建立模型［18-20］，電路在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)運(yùn)行在CCM連續(xù)導(dǎo)通模式.假設(shè)變換器功率器件為理想器件，純阻性負(fù)載，忽略開(kāi)關(guān)頻次以及倍頻次諧波.當(dāng)電路S1導(dǎo)通S2關(guān)斷時(shí)，由變換器工作原理可得濾波電感電壓為：

由式（7）～（11）得到電壓反饋閉環(huán)系統(tǒng)控制框圖如圖3所示.其中，Gm（s）是PWM脈寬控制器，轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)占空比的脈沖信號(hào).

由圖4和圖5可以看出，幅頻特性曲線全頻段范圍內(nèi)均在0 dB線以下，閉環(huán)控制對(duì)輸入電壓和輸出負(fù)載擾動(dòng)均有較好的抑制作用，具有良好的抗干擾能力.

2?Buck/Boost變換器Burst與雙前饋復(fù)合控制策略

2.1?Burst與雙前饋復(fù)合控制整體框圖

為了提升Buck/Boost變換器在輸入電壓跌落等大信號(hào)場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，本文提出一種Burst與雙前饋復(fù)合控制策略，整體框圖如圖6所示.主要分為：穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤、負(fù)載電流與輸入電壓前饋、Burst機(jī)制三個(gè)部分.

2.2?穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤方法

在Buck/Boost變換器大功率加載時(shí)，蓄電池高倍率放電導(dǎo)致其端電壓會(huì)大幅跌落，限制了變換器的輸出能力.根據(jù)公式（4）可知，［Vin，Vo，IL，D］決定了Buck/Boost變換器的穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn).傳統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)均基于變換器在該穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近的工作特性，即小信號(hào)線性化模型.蓄電池端電壓Vin大幅跌落時(shí)，電感電流iL和占空比d均將發(fā)生偏離，如果該系統(tǒng)特性是穩(wěn)定的，經(jīng)歷一定的動(dòng)態(tài)過(guò)程后，系統(tǒng)將到達(dá)另一個(gè)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)［Vinx，Vox，ILx，Dx］.

基于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)［Vin，Vo，IL，D］設(shè)計(jì)的控制器僅在該點(diǎn)附近有足夠的穩(wěn)定裕量和環(huán)路帶寬.在Vin跳變的大信號(hào)過(guò)程中，原控制器并不能保證變換器具有良好的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能.為了提升變換器在大信號(hào)擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)性能，可通過(guò)快速追蹤穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)，提前計(jì)算并設(shè)定新?tīng)顟B(tài)下的額定占空比Dx，以減少控制器積分時(shí)間.

本文即采用Dx估算的方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤.實(shí)時(shí)采集輸入電壓Vin，根據(jù)CCM模式下的輸入與輸出電壓關(guān)系計(jì)算Dx值，計(jì)算公式為（13），其中Vref為目標(biāo)輸出值.

上述穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤處于變換器閉環(huán)控制的前饋通道，Vin中除了穩(wěn)態(tài)分量外，還包含小信號(hào)擾動(dòng)分量，也將通過(guò)公式（13）前饋至系統(tǒng)調(diào)節(jié)，可能引入穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn).另外，在公式（13）中，Vin處于分母位置，噪聲引起的采樣干擾可能導(dǎo)致占空比大幅調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)魯棒性下降.在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)Vin進(jìn)行低通濾波處理，濾波帶寬可根據(jù)變換器動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求和噪聲頻帶分布進(jìn)行折中設(shè)計(jì).

2.4?Burst模式作用機(jī)制

在Buck/Boost變換器突減載場(chǎng)景下，蓄電池放電電流瞬間減小，其端電壓Vin瞬間抬升，使得變換器輸出電壓Vo超調(diào)嚴(yán)重.即使加入了穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤算法，由于電感和電容儲(chǔ)能釋放緩慢，電壓超調(diào)依然嚴(yán)重.

為了限制輸出電壓超調(diào)，本文設(shè)計(jì)了輸出電壓滯環(huán)，通過(guò)使變換器進(jìn)入Burst控制模式實(shí)現(xiàn)電壓超調(diào)限制，進(jìn)入Burst控制模式后具體工作原理如圖6和圖9所示.在圖9中，VH和VL分別為滯環(huán)上下閾值，S為Burst模式控制函數(shù).

開(kāi)關(guān)函數(shù)S如式（22），當(dāng)時(shí)輸出電壓vo高出上限閾值VH，如圖9中［t2-t3］區(qū)間，此時(shí)S=0，意味著圖6中占空比設(shè)定為0，Buck/Boost變換器開(kāi)關(guān)管S1封波，但是下管S2依然按環(huán)路計(jì)算占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)；等待輸出電壓下降至閾值區(qū)間內(nèi)，此時(shí)S保持為零如區(qū)間［t3-t4］；電壓進(jìn)一步下降至滯環(huán)下限VL，此時(shí)S=1，恢復(fù)S1占空比調(diào)節(jié).

需要重點(diǎn)說(shuō)明的是，本文Burst模式的開(kāi)關(guān)函數(shù)S僅用于Buck/Boost變換器開(kāi)關(guān)管S1封波控制.其主要作用是在輸出電壓超調(diào)后，斷開(kāi)蓄電池通過(guò)Buck模式向負(fù)載的供電通路；下管S2依然根據(jù)閉環(huán)控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，使電感和電容的儲(chǔ)能可通過(guò)Boost模式將能量快速回饋至蓄電池，減少超調(diào).

3?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1?樣機(jī)搭建

本文搭建了一臺(tái)功率為48 kW的Buck/Boost變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用14錯(cuò)相Buck/Boost變換器實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)如表1所示.

具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示，主要包括功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、輔源電路等部分.控制器采用TMS320F28335，開(kāi)關(guān)管為IXYS的XFN17065X2，驅(qū)動(dòng)芯片選用MIC4451.

3.2?負(fù)載投切實(shí)驗(yàn)

圖11是采用傳統(tǒng)PI控制器但未加入前饋控制的實(shí)驗(yàn)波形圖，在輕載時(shí)加入Burst控制策略.其中，Vgs為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓，iload為負(fù)載電流.可以看出空載輸出電壓為200 V，加載瞬間跌落了11 V，經(jīng)過(guò)約24 ms后，Vo恢復(fù)至200 V.

加入穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)跟蹤及前饋控制后，在突加負(fù)載場(chǎng)景下，變換器的輸出波形如圖12（a）所示，圖12（b）為暫態(tài)過(guò)程的局部放大圖.可以看出，在空載狀態(tài)下，變換器工作在Burst模式，此時(shí)是由于變換器14錯(cuò)相輸出能力強(qiáng)，數(shù)個(gè)發(fā)波周期即可使得輸出電壓Vo超出環(huán)寬上限閾值VH.由圖12（b）看出加載瞬間可以看出電壓僅跌落6 V，響應(yīng)時(shí)間僅為2 ms，在此期間輸出電壓略微上升，是因?yàn)殡妷旱渌查g控制器加入前饋控制算法響應(yīng)速度很快，有一定超調(diào)現(xiàn)象.本文所提方法有效提升了變換器在大信號(hào)干擾下的響應(yīng)速度.

圖13（a）為Burst與雙前饋控制策略突減負(fù)載實(shí)驗(yàn)波形圖，圖13（b）為暫態(tài)過(guò)程的局部放大圖.可以看出，變換器減載后電壓超調(diào)幾乎為0 V，且空載后變換器進(jìn)入Burst控制模式.上述測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，本文所提出的Burst與雙前饋控制策略可以在大信號(hào)干擾下有效提升變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，抑制電壓超調(diào).

4?結(jié)論

本文針對(duì)提高直流儲(chǔ)能Buck/Boost變換器寬輸入范圍場(chǎng)景下的響應(yīng)能力，在傳統(tǒng)電壓閉環(huán)基礎(chǔ)上，提出了一種Burst模式與輸入電壓和輸出負(fù)載前饋的復(fù)合控制策略，通過(guò)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)快速追蹤、輸入電壓與負(fù)載電流前饋、Burst模式限制等手段，有效提升了Buck/Boost變換器在突加負(fù)載和突減負(fù)載等大信號(hào)場(chǎng)景下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力.最后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，所得結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性.

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【責(zé)任編輯：蔣亞儒】

基金項(xiàng)目：陜西省科技廳重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2020GY-042）

作者簡(jiǎn)介：劉?藝（1999—），女，陜西咸陽(yáng)人，在讀碩士研究生，研究方向：電源供電技術(shù)與微電網(wǎng)的智能控制技術(shù)

通訊作者：劉寶泉（1987—），男，河北保定人，副教授，博士，研究方向：微電網(wǎng)自穩(wěn)與致穩(wěn)能力提升、多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，liubq@sust.edu.cn