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作為對(duì)集中式、遠(yuǎn)距離輸電傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的擴(kuò)展和補(bǔ)充，直流微網(wǎng)（DC Microgrids）將具有直流耦合特性的分布式能源（Distributed Energy Resources, DER）、儲(chǔ)能系統(tǒng)（Energy Storage Systems, ESS）和現(xiàn)代電子負(fù)載集成為一個(gè)可控的整體。圖1所示為直流微網(wǎng)的典型配置，其中直流母線為能量匯集和功率交換的中間媒介。

由于光伏、風(fēng)電等微源的功率間歇性和負(fù)載擾動(dòng)會(huì)威脅母線電壓穩(wěn)定，因此母線電壓成為評(píng)價(jià)直流微網(wǎng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。已有研究表明，將ESS單元通過(guò)雙向DC-DC變換器連接至直流母線，在微源和負(fù)載之間形成能量緩沖器，可在一定程度上抑制母線電壓的波動(dòng)，提高直流微網(wǎng)供電的可靠性。

通常對(duì)于分布式微源出力波動(dòng)的抑制，要求ESS環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間尺度為秒至分鐘級(jí)，而對(duì)于負(fù)載擾動(dòng)的抑制則要求ESS的響應(yīng)時(shí)間尺度提高至毫秒級(jí)。直流微網(wǎng)發(fā)生負(fù)載大擾動(dòng)時(shí)，需要ESS單元在母線側(cè)吞吐較高的瞬時(shí)功率，以快速補(bǔ)償母線上源荷兩側(cè)的瞬時(shí)功率差，防止母線電壓產(chǎn)生較高的瞬時(shí)過(guò)沖或跌落。

與蓄電池相比，超級(jí)電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)直流微網(wǎng)的瞬時(shí)功率平衡控制具有先天優(yōu)勢(shì)。雙向DC-DC變換器作為接口變換器，允許超級(jí)電容在寬電壓范圍內(nèi)工作，提高了其能量利用率和使用壽命，然而雙向變換器的動(dòng)態(tài)性能卻影響著超級(jí)電容對(duì)母線電壓波動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間。因此，如何提高雙向DC-DC接口變換器的動(dòng)態(tài)性能，成為值得研究的重要問題。

圖1 直流微網(wǎng)的典型配置

非線性控制策略突破了傳統(tǒng)線性控制的帶寬限制，可從一定程度上改善DC-DC變換器的瞬態(tài)響應(yīng)性能。目前大多數(shù)非線性控制是基于邊界控制理論，而切換面的選擇是邊界控制理論的核心問題。由于不同類型的控制器在調(diào)節(jié)時(shí)間和魯棒性等特性方面有很大差異，因此切換面的選擇是多樣的，典型的如滑模控制和滯環(huán)控制。

文獻(xiàn)[21,22]將滑模控制應(yīng)用于控制雙向DC-DC變換器，使得系統(tǒng)在大信號(hào)下保持穩(wěn)定且對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的魯棒性，但卻存在輸出抖動(dòng)和在切換面上開關(guān)頻率較高等問題。文獻(xiàn)[23,24]采用滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)雙向DC-DC變換器的控制，具有控制簡(jiǎn)單和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，但同樣存在輸出抖動(dòng)和開關(guān)頻率抖動(dòng)等問題。利用幾何面積法簡(jiǎn)化切換面的復(fù)雜計(jì)算，進(jìn)而得到近似的最優(yōu)控制，典型的如時(shí)間最優(yōu)控制。文獻(xiàn)[19,20]通過(guò)時(shí)間最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)DC-DC變換器近似最佳的暫態(tài)響應(yīng)，但開關(guān)面的選擇比較依賴變換器系統(tǒng)參數(shù)和容差，進(jìn)而降低了控制器的魯棒性。

電容電荷平衡控制（Charge Balance Control, CBC）是一種基于電容電荷平衡原理的簡(jiǎn)化時(shí)間最優(yōu)控制，在一定程度上降低了對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴。目前，CBC的控制思想已被應(yīng)用于控制單向DC-DC變換器。文獻(xiàn)[26,27]提出一種變結(jié)構(gòu)電容電荷平衡控制策略，但根據(jù)控制邏輯來(lái)控制Buck變換器的電容電荷平衡輔助電路，存在反復(fù)切換的行為，增加了功率管的開關(guān)損耗。

文獻(xiàn)[28,29]將電容電荷平衡控制算法用于控制Buck變換器，在負(fù)載擾動(dòng)時(shí)具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。但由于控制策略基于電壓峰值點(diǎn)檢測(cè)，需要復(fù)雜的模擬檢測(cè)電路，控制算法缺乏通用性。文獻(xiàn)[30,31]在限制控制占空比的條件下，將電容電荷平衡控制算法分別擴(kuò)展應(yīng)用于Buck-Boost變換器和雙管正激變換器。但控制過(guò)程中開關(guān)管的動(dòng)作次數(shù)增加，開關(guān)損耗增大。

文獻(xiàn)[32]提出一種基于電容電荷平衡控制的數(shù)字控制算法應(yīng)用于Boost變換器，通過(guò)間接預(yù)測(cè)電容變化規(guī)律來(lái)達(dá)到研究電容電荷平衡的目的。該控制算法簡(jiǎn)單且計(jì)算量少，適合數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，但控制對(duì)象僅針對(duì)單側(cè)輸出濾波電容電壓。

綜上所述，現(xiàn)有CBC的控制應(yīng)用還局限于單向功率輸出的控制，僅針對(duì)輸出電壓?jiǎn)蝹?cè)調(diào)節(jié)。對(duì)于母線電壓快速恢復(fù)這一應(yīng)用場(chǎng)合，當(dāng)由超級(jí)電容的輸出功率控制切換到輸入功率控制時(shí)，作為控制對(duì)象的母線側(cè)電容將由輸出濾波電容變成輸入濾波電容，控制對(duì)象的角色發(fā)生改變，原有的幾何面積法以及相應(yīng)的控制律也將不再適用。因而現(xiàn)有CBC控制無(wú)法直接運(yùn)用于雙向DC-DC接口變換器的功率控制場(chǎng)合。

為了實(shí)現(xiàn)母線電壓快速恢復(fù)，解決瞬態(tài)功率不平衡帶來(lái)的母線電壓波動(dòng)問題，本文擬通過(guò)提高與超級(jí)電容接口雙向DC-DC變換器的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)解決。將文獻(xiàn)[32]控制單向電流的間接預(yù)測(cè)電容電流變化規(guī)律的思想進(jìn)一步擴(kuò)展和優(yōu)化，得出更一般的節(jié)點(diǎn)電流替代法及相應(yīng)的控制律，并達(dá)到控制雙向電流的目的，最終得到一種適用于雙向DC-DC變換器控制的CBC和傳統(tǒng)線性控制結(jié)合的復(fù)合控制策略，即：大擾動(dòng)的暫態(tài)過(guò)程切換到相應(yīng)的CBC控制，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)；小擾動(dòng)過(guò)程采用增量式PID產(chǎn)生互補(bǔ)PWM波，其中線性PID控制可以保持良好的穩(wěn)態(tài)控制精度，不存在輸出抖動(dòng)問題，同時(shí)開關(guān)管的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)又能夠?qū)崿F(xiàn)較小暫態(tài)時(shí)雙向變換器兩種工作模式的平滑切換。實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)的同時(shí)能夠確保系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

本文首先分析CBC控制應(yīng)用于雙向DC-DC變換器中存在的問題，然后給出雙向CBC控制策略的數(shù)學(xué)推導(dǎo)過(guò)程，接著闡述復(fù)合控制策略的實(shí)現(xiàn)步驟，最后通過(guò)仿真和200 W樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證CBC復(fù)合控制策略的有效性。

圖14 CBC復(fù)合控制超級(jí)電容接口雙向DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

結(jié)論

本文針對(duì)直流微網(wǎng)瞬時(shí)大信號(hào)負(fù)載擾動(dòng)的控制需求，基于電容充放電平衡的思想，提出了一種用于超級(jí)電容接口雙向Buck-Boost變換器的CBC復(fù)合控制策略，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到主要結(jié)論如下：

1）所提CBC復(fù)合控制策略能夠有效實(shí)現(xiàn)負(fù)載大擾動(dòng)下母線電壓的快速恢復(fù)，并解決了模擬控制存在的不規(guī)則電流積分及多電壓峰值點(diǎn)檢測(cè)困難的問題。同時(shí)，CBC控制過(guò)程中開關(guān)管只動(dòng)作兩次，在一定程度上減小了開關(guān)損耗，且開關(guān)頻率恒定。

2）通過(guò)適當(dāng)選取電流參考方向，將兩種工作模式下電流的面積積分簡(jiǎn)化為正向幾何面積求解，仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流面積估算和新穩(wěn)態(tài)電流值預(yù)測(cè)方法的有效性。將間接預(yù)測(cè)電容電流變化規(guī)律的思想進(jìn)行擴(kuò)展和優(yōu)化，得出一般的節(jié)點(diǎn)電流替代法及具有相似對(duì)稱的控制律，兩種工作模式下采用統(tǒng)一的數(shù)字控制器。

3）在互補(bǔ)PWM輸出控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合平均電流模式控制和滯環(huán)電流限幅環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)接口變換器穩(wěn)態(tài)的雙端口穩(wěn)定控制，能夠在穩(wěn)定母線電壓的同時(shí)兼顧超級(jí)電容的過(guò)電壓欠電壓保護(hù)以及最大持續(xù)工作電流限幅。