学术简报｜三端口直流微网母线电压控制器及多目标控制

摘要

天津理工大学电气电子工程学院、国家电网公司国家电力调度控制中心的研究人员李微、周雪松等，在2019年第1期《电工技术学报》上撰文，提出一种混合储能三端口直流微网母线电压控制器及多目标控制方法。三端口母线电压控制器采用LCLC多谐振结构，可对基频和三倍频能量进行传递，提高能量传递效率。谐振腔电流为基频和三倍频电流的叠加，有效地降低了谐振腔电流峰值。

针对LCLC多谐振三端口双向DC-DC变换器中变压器漏感导致超级电容端口与蓄电池端口之间存在功率耦合，无法实现独立控制的问题，建立了端口间的功率耦合模型，并提出了从变换器硬件参数以及驱动频率选择的角度出发减小功率耦合的方法。

此外，提出了一种驱动频率最优化控制方法，根据变换器的输出功率调节工作频率，以保证变换器全负载范围内的软开关以及效率最优。同时，提出了兼顾直流母线电压波动快速调节、混合储能能量分配以及三端口变换器驱动频率最优的多目标控制策略。

最后，设计一台1.5 kW实验样机，并模拟了直流微网功率波动实验场景。实验结果验证了拓扑结构、参数设计、三端口变换器多目标控制方法的可行性和有效性。

直流微网系统在分布式新能源高效利用以及柔性交直流配电网领域的应用成为学者们的研究热点。直流微网内不存在无功功率流动，其控制要点是维持直流母线电压稳定。直流微网中需配备储能单元，保证系统的供电稳定性。

鉴于每一种储能都有其优缺点，单独使用时很难满足需求，因此可采用蓄电池与超级电容混合储能系统（Hybrid Energy Storage System, HESS），以满足直流微网系统对储能装置能量和功率等方面的需求，延长各储能装置的使用寿命。本文将基于利用HESS维持直流母线电压稳定的应用背景对直流微网母线电压控制器结构及控制策略展开深入研究。

HESS接入直流微网的形式按其接口变换器的不同，可分为储能单元分别通过独立变换器接入直流微网以及混合储能单元通过三端口或多端口变换器接入直流微网两种形式。为了实现HESS的集成控制，满足直流微网安全性要求，实现电力电子装置高效化、小型化以及轻量化的发展目标，本文中HESS采用隔离型的具有软开关特性的多谐振三端口双向DC-DC变换器接入直流微网。

目前，应用最为广泛的谐振型三端口变换器为串联谐振三端口双向DC-DC变换器（Series-Resonant Three-Port Bidirectional DC-DC Converter, SR-TP-BDC），该拓扑延续了三有源桥拓扑能量双向流动、开关管零电压软开关（Zero Voltage Switching, ZVS）特性以及采用移相控制进行能量管理等优点。

此外，本文作者在SR-TP-BDC的基础上提出了一种LCLC多谐振三端口双向DC-DC变换器（LCLC Multi-Resonant Three-Port Bidirectional DC-DC Converter, LCLC MR-TP-BDC）。该变换器谐振腔采用LCLC多谐振结构，解决了SR-TP-BDC在轻载情况下，由于移相角过小，开关管关断电流过小，谐振腔储存的能量不足，导致开关管失去ZVS特性的问题。

然而在上述SR-TP-BDC和LCLC MR-TP-BDC研究中，均忽略了直流母线侧变压器绕组漏感，认为变压器电压由不具有谐振腔的端口电压钳位，进而保证了三端口间的能量解耦，控制回路中无需进行解耦计算。

然而，在实验过程中发现，由于直流母线侧变压器绕组漏感的存在，导致超级电容和蓄电池端口间存在耦合关系，限制了三端口功率的独立控制。文献[15-17]中，针对三有源桥拓扑中存在的功率耦合现象在控制环路中增加了解耦矩阵，可以实现端口间功率的独立控制，但是解耦矩阵增加了控制器的复杂度，降低了控制可靠性。

为解决上述问题，本文从硬件拓扑参数设计和变换器驱动频率选择的角度出发，通过参数设计选择将两个端口间的功率耦合限制在可忽略范围，保证在不增加控制器复杂度的前提下，实现三端口功率的近似解耦。

此外，现有的谐振型三端口变换器均采用定频移相控制方法，端口功率大小与移相角正相关。在轻载情况下，由于移相角过小，开关管关断电流过小，谐振腔储存的能量不足，导致开关管失去ZVS特性。

考虑到谐振型三端口变换器的功率传输特性由移相角和驱动频率共同决定，本文在LCLC MR-TP-BDC移相控制的基础上引入频率控制，通过调整不同功率情况下的开关频率，增大轻载情况下的移相角，保证LCLC MR-TP-BDC轻载情况下的ZVS特性。

同时，本文中超级电容和蓄电池间能量分配采用分频控制方法，利用超级电容进行直流母线电压控制，快速抑制母线电压的波动；由蓄电池提供功率支撑，延长HESS的循环使用寿命。

本文在前期工作的基础上，提出了一种混合储能谐振型三端口直流微网母线电压控制器。建立了由直流母线侧变压器漏感导致的蓄电池和超级电容端口间的功率耦合模型，从硬件参数设计和驱动频率选择两个角度分析了减小端口间功率耦合的方法。同时综合考虑变换器的ZVS软开关范围及功率传输能力，提出了一种驱动频率最优化控制方法。

此外，提出了维持直流母线电压稳定、混合储能能量分配以及三端口变换器驱动频率最优化的三端口直流母线电压控制器多目标控制方法。最后，搭建了实验样机，并模拟了直流微网负载切换实验场景验证，证明了多谐振三端口直流微网母线电压控制器可以实现提出的多重控制目标。

图10  实验样机

结论

本文提出了一种混合储能谐振型三端口直流微网母线电压控制器。变换器后级三端口变换器采用LCLC多谐振结构保证了ZVS软开关和高效率。建立了由直流母线侧变压器漏感导致的蓄电池和超级电容端口间的功率耦合模型，并分析了减小端口间耦合程度的方法。同时综合考虑变换器的ZVS软开关范围及功率传输能力，提出了一种驱动频率最优化控制方法。

此外，提出了维持直流母线电压稳定、混合储能能量分配以及三端口变换器驱动频率最优化的三端口直流母线电压控制器多目标控制方法。最后，本文设计了一台1.5kW实验样机，通过模拟直流微网负载切换实验场景验证，证明了多谐振三端口直流微网母线电压控制器可以实现设计的多重控制目标。

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