关键词：储能电池系统；占空比前馈；DC-DC变换器

Abstract: A control method of energy storge battery based on duty cycle feed-forward is proposed in this paper. According to the charge and discharge control characteristic of PWM modulation in the control system, two kinds of duty cycle feed-forward algorithms are designed in this control method, to improve the response speed and stability in both Buck mode and Boost mode of bidirection DC-DC converter. The system structure of this method and the algorithm flow of feed-forward increment are both described in detail, and the simulation mode of energy storage battery system used this method is built. By means of simulation comparison results, this method is confirmed to improve the instantaneous voltage fluctuation caused by PV power change in the state of charge, and also improve the response speed of voltage control during the load power switching in the state of discharge.

Key words: Energy storage battery system; Duty cycle feed-forward; DC-DC converter

1 引言

以锂电池为代表的储能电池系统在风电、光伏等新能源领域得到了越来越广泛的应用，并且在能源路由器、分布式发电、微网等新型发电系统中不可或缺^[1-3]。作为直流电源，储能电池系统通常采用双向DC-DC变换器来实现直流电能的双向流动^[3]。储能电池系统的充电方式通常是将电网交流电逆变为直流充电电源，或者采用光伏电池组作为充电电源^[4]。由于电网存在电压波动、光伏发电具有时变性与非线性特点，充电过程中直流电源可能出现电压或电流的瞬时突变。另一方面，在放电状态下，直流负载的通断或状态切换，也会导致系统功率瞬时变化。这些因素导致其双向DC-DC变换器运行在Buck或Boost状态都可能出现电压或电流的瞬时波动，对系统稳定性造成负面影响。

若能提高控制系统对相关参数瞬时扰动的响应速度，则可降低功率波动对储能电池系统功率控制效果的干扰，进而提升系统稳定性。文献[5]采用光伏系统并联大容量直流电容的方式来平滑储能直流系统的功率控制效果。文献[6]采用粒子群算法通过修正光伏功率预测误差来提升储能系统的功率控制效果。文献[7]采用虚拟直流电机的控制策略来实现储能电池的直流变换器与光伏电源、直流负载的柔性连接，提高直流母线电压的瞬时稳定性。

本文提出一种前馈型占空比控制方法，可应用于储能电池系统的双向DC-DC变换器控制系统，在充电与放电两种状态下，针对两种模式的控制差异性设定不同的占空比前馈增量来调控PWM调制的占空比参数，来提高控制系统响应速度，以降低功率瞬时变化对应用端电压稳定性的干扰。与上述文献方法相比，该方法不增加硬件成本，其算法易于软件编程实现，具有较强的工程实用价值。文中通过仿真实验，验证了该方法的有效性。

2 储能电池直流系统

储能电池直流系统的电路结构如图1所示，系统采用锂电池作为储能电池连接于双向DC-DC变换器的低压端，其高压端接入直流负载及外部直流电源，图中该系统采用光伏组件作为外部直流电源，用于储能电池充电及负载供电。其功率转换电路采用双向DC-DC变换器，其电路结构为Buck/Boost型，当储能电池对直流负载进行放电时，双向DC-DC变换器运行在Buck模式；当光伏电源对电池进行充电时，双向DC-DC变换器运行在Boost模式。控制系统实时采样电池端(低压端)的电压、电流信号U₁与I₁，以及应用端(高压端)的电压、电流信号U₂与I₂，电路中两个功率开关管Q₁与Q₂分别用于Buck模式的降压控制与Boost模式的升压控制。

图1 储能电池直流系统的电路结构示意图

3  占空比前馈控制方法

储能电池系统的双向DC-DC变换器控制系统通常采用电压外环、电流内环的结构，来实现系统直流电压、电流参数的实时调节，通过电流环输出的占空比参数生成脉冲宽度调制(PWM)驱动信号，用于调节Boost或Buck状态的开关管通断状态。本文提供了一种可应用于双向DC-DC变换器的前馈型占空比控制方法。该方法在在常规的电压电流双环控制结构基础上增加占空比前馈算法环节，设定电流复合判据来辨别双向DC-DC变换器的Buck或Boost运行模式，其占空比前馈算法环节根据Buck与Boost控制的差异性设定两种占空比前馈增量算法，分别用于加速调控两种模式下PWM占空比参数，以提高双向DC-DC变换器功率状态频繁波动时升压或降压控制的响应速度及电压稳定性。

双向DC-DC变换器的控制系统框图如图2所示，系统中包含了本文的占空比前馈控制方法。控制系统电压外环与电流内环的双环控制模式。Buck模式时电压控制环由MPPT算法提供动态电压参考值U_ref1，Boost模式时电压控制环为恒压模式，其电压参考值为恒定值U_ref2，因此两种模式分别有独立的电压控制环，根据设定模式进行切换。电流控制环输出占空比参数分量D_i，同时由附加的前馈型占空比控制算法提供占空比前馈增量D_f，D_i叠加D_f后输出用于PWM算法的占空比控制参数D。在Buck与Boost模式下，通过叠加不同的前馈增量D_f，针对性提高占空比控制参数D在不同功率瞬时波动状态时的响应速度。

图2 控制系统框图

基于该控制方法设计的前馈增量D_f的算法流程如图3所示，一个运算周期包括的具体步骤如下：

首先判断系统是否存在故障状态，采样并计算第k个采样周期的电池端电流平均值I_1k与电压平均值U_1k，以及应用端电流平均值I_2k与电压平均值U_2k。判断上述电流值是否触及对应的过流保护阈值，及判断上述电压值是否触及对应的过/欠压保护阀值，若存在触发保护阀值的状态，则算法终止并反馈相关故障状态。    

在正常运行状态时，系统同时计算Buck状态的占空比前馈增量D_1k与Boost状态的占空比前馈增量D_2k，两者的计算公式分别为：

D_1k=K₁·U_1k/ U_2k                                                                      (1)

D_2k= K₂－K₂·U_1k/ U_2k                                                                 (2)

由于Buck与Boost运行状态下，产生功率瞬时波动的原因不同，前馈增量D_1k与D_2k计算公式中采用了不同的系数K₁与K₂，其取值根据系统控制器参数及外部扰动特征进行整定，同时根据占空比定义，两者取值都需在[0,1]的数值范围内。

将系统状态设定信号与电池端电流值I_1k组合为电流复合判据用于判断DC-DC变换器实际运行状态。当系统设定为Buck状态，同时I_1k<0，则D_fk=D_1k，将前馈增量D_1k附加至电流控制环输出的占空比参数上；当设定为Boost状态，同时I_1k>0，则D_fk=D_2k，将前馈增量D_2k附加至电流控制环输出的占空比参数上；不满足上述两种情况时，则D_fk =0，无前馈增量输出。

图3  前馈增量D_f的算法流程图

4  仿真结果

采用Matlab/Simulink软件搭建图1与图2所示的系统模型，对本文的占空比前馈控制方法与常规控制方法进行仿真对比实验。系统主要参数如下：额定功率3kW，储能电池额定电压144V，直流负载额定电压350V，光伏电池组件的工作电压范围200V-450V。控制系统的电压、电流控制器均采用PI控制器，占空比前馈控制方法的相关系数为K₁为0.2，K₂为0.5。

仿真1：储能电池系统运行在充电模式下，双向DC-DC变换器的高压端接入光伏组件系统对储能电池进行充电，此时双向DC-DC变换器运行在Buck模式。在相同的实验条件下，常规控制方法与本文控制方法的电压控制效果如图4所示。图中时间t在0.4s-0.6s，辐照度由1000W/m²跌至200 W/m²，1.0s-1.2s时辐照度由200 W/m²回复至1000 W/m²。光伏组件系统的MPPT控制采用扰动观测法，在1000W/m²时DC-DC变换器高压端电压U₂的最大功率点为372.5V，在200 W/m²时其电压最大功率点为361V，由于辐照度变化电压的最大功率点出现了两次快速切换。运行过程中，本文方法根据其电流复合判据，采用占空比前馈增量D_1k算法。对比图中两种控制方法的电压波形，两次最大功率点变化过程中，本文的占空比前馈控制方法都相对降低了瞬时电压波动，系统稳压效果得到了提升，并且电压在跟踪过程中更接近新的最大功率点，增加了瞬时输出功率。

图4  充电模式时电压控制效果对比图

仿真2：储能电池系统运行在放电模式下，双向DC-DC变换器的高压端接入直流负载，此时双向DC-DC变换器运行在Boost模式，设定高压端电压U₂为350V恒压输出。在相同的实验条件下，常规控制方法与本文控制方法的电压控制效果如图5所示。直流负载初始功率为100W，在时间t为1.4s时其消耗功率切换为1kW，在1.6s时消耗功率切换为3 kW，1.8s时断开直流负载，DC-DC变换器为空载状态。运行过程中，本文的占空比控制方法根据其电流复合判据，采用占空比前馈增量D_2k算法。对比图中两种控制方法的电压波形，在多次功率瞬时增减过程中，该控制方法具备更快的响应速度，每次电压重新稳定至350V的时间值可减小0.3s-0.5s；功率瞬时变化越大，时间差值越大，该方法对电压控制的速度响应优势越明显。

图5  放电模式时电压控制效果对比图

5  结论

本文提出一种前馈型占空比控制方法，可应用于储能电池系统的双向DC-DC变换器控制系统。双向DC-DC变换器可实现直流电压升压或降压控制时的电流双向调节，适用于储能电池系统的放电与充电两种模式下的功率控制。该控制方法在双向DC-DC变换器的控制系统设计中增加占空比前馈算法环节，并通过设定电流复合判据来辨别变换器的Buck或Boost运行模式。其占空比前馈算法环节根据Buck与Boost控制的差异性设定两种占空比前馈增量算法，以提高储能电池系统在功率波动时充放电控制的响应速度及电压稳定性。通过仿真对比，可证明该控制方法应用于与光伏组件、直流负载连接的储能电池系统中，即可有效改善充电状态下光伏系统功率变化对储能系统造成的瞬时电压波动，亦可提高放电状态下的负载功率切换时电压控制响应速度。

参考文献：

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作者简介：

刘思佳（1983-） 男 博士，目前就职于四川长虹电器股份有限公司技术中心，主要研究方向为新能源与电力电子系统控制技术。