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作為對集中式、遠距離輸電傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的擴展和補充，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）、儲能系統(tǒng)（Energy Storage Systems, ESS）和現(xiàn)代電子負載集成為一個可控的整體。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、風電等微源的功率間歇性和負載擾動會威脅母線電壓穩(wěn)定，因此母線電壓成為評價直流微網(wǎng)電能質(zhì)量的重要指標。已有研究表明，將ESS單元通過雙向DC-DC變換器連接至直流母線，在微源和負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，提高直流微網(wǎng)供電的可靠性。

通常對于分布式微源出力波動的抑制，要求ESS環(huán)節(jié)的響應時間尺度為秒至分鐘級，而對于負載擾動的抑制則要求ESS的響應時間尺度提高至毫秒級。直流微網(wǎng)發(fā)生負載大擾動時，需要ESS單元在母線側吞吐較高的瞬時功率，以快速補償母線上源荷兩側的瞬時功率差，防止母線電壓產(chǎn)生較高的瞬時過沖或跌落。

與蓄電池相比，超級電容器具有功率密度大、循環(huán)壽命長、充放電速度快等優(yōu)點，對直流微網(wǎng)的瞬時功率平衡控制具有先天優(yōu)勢。雙向DC-DC變換器作為接口變換器，允許超級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態(tài)性能卻影響著超級電容對母線電壓波動的響應時間。因此，如何提高雙向DC-DC接口變換器的動態(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?？刂坪蜏h(huán)控制。

文獻[21,22]將滑?？刂茟糜诳刂齐p向DC-DC變換器，使得系統(tǒng)在大信號下保持穩(wěn)定且對系統(tǒng)的參數(shù)變化有很好的魯棒性，但卻存在輸出抖動和在切換面上開關頻率較高等問題。文獻[23,24]采用滯環(huán)控制實現(xiàn)對雙向DC-DC變換器的控制，具有控制簡單和魯棒性強等特點，但同樣存在輸出抖動和開關頻率抖動等問題。利用幾何面積法簡化切換面的復雜計算，進而得到近似的最優(yōu)控制，典型的如時間最優(yōu)控制。文獻[19,20]通過時間最優(yōu)控制實現(xiàn)DC-DC變換器近似最佳的暫態(tài)響應，但開關面的選擇比較依賴變換器系統(tǒng)參數(shù)和容差，進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化時間最優(yōu)控制，在一定程度上降低了對系統(tǒng)參數(shù)的依賴。目前，CBC的控制思想已被應用于控制單向DC-DC變換器。文獻[26,27]提出一種變結構電容電荷平衡控制策略，但根據(jù)控制邏輯來控制Buck變換器的電容電荷平衡輔助電路，存在反復切換的行為，增加了功率管的開關損耗。

文獻[28,29]將電容電荷平衡控制算法用于控制Buck變換器，在負載擾動時具有優(yōu)良的動態(tài)響應特性。但由于控制策略基于電壓峰值點檢測，需要復雜的模擬檢測電路，控制算法缺乏通用性。文獻[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展應用于Buck-Boost變換器和雙管正激變換器。但控制過程中開關管的動作次數(shù)增加，開關損耗增大。

文獻[32]提出一種基于電容電荷平衡控制的數(shù)字控制算法應用于Boost變換器，通過間接預測電容變化規(guī)律來達到研究電容電荷平衡的目的。該控制算法簡單且計算量少，適合數(shù)字控制實現(xiàn)，但控制對象僅針對單側輸出濾波電容電壓。

綜上所述，現(xiàn)有CBC的控制應用還局限于單向功率輸出的控制，僅針對輸出電壓單側調(diào)節(jié)。對于母線電壓快速恢復這一應用場合，當由超級電容的輸出功率控制切換到輸入功率控制時，作為控制對象的母線側電容將由輸出濾波電容變成輸入濾波電容，控制對象的角色發(fā)生改變，原有的幾何面積法以及相應的控制律也將不再適用。因而現(xiàn)有CBC控制無法直接運用于雙向DC-DC接口變換器的功率控制場合。

為了實現(xiàn)母線電壓快速恢復，解決瞬態(tài)功率不平衡帶來的母線電壓波動問題，本文擬通過提高與超級電容接口雙向DC-DC變換器的瞬態(tài)響應來解決。將文獻[32]控制單向電流的間接預測電容電流變化規(guī)律的思想進一步擴展和優(yōu)化，得出更一般的節(jié)點電流替代法及相應的控制律，并達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)線性控制結合的復合控制策略，即：大擾動的暫態(tài)過程切換到相應的CBC控制，實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)；小擾動過程采用增量式PID產(chǎn)生互補PWM波，其中線性PID控制可以保持良好的穩(wěn)態(tài)控制精度，不存在輸出抖動問題，同時開關管的互補驅動又能夠實現(xiàn)較小暫態(tài)時雙向變換器兩種工作模式的平滑切換。實現(xiàn)功率雙向流動的同時能夠確保系統(tǒng)具有良好的動態(tài)性能。

本文首先分析CBC控制應用于雙向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)學推導過程，接著闡述復合控制策略的實現(xiàn)步驟，最后通過仿真和200 W樣機實驗，驗證CBC復合控制策略的有效性。

圖14 CBC復合控制超級電容接口雙向DC-DC變換器的實驗測試平臺

結論

本文針對直流微網(wǎng)瞬時大信號負載擾動的控制需求，基于電容充放電平衡的思想，提出了一種用于超級電容接口雙向Buck-Boost變換器的CBC復合控制策略，并進行了仿真與實驗驗證，得到主要結論如下：

1）所提CBC復合控制策略能夠有效實現(xiàn)負載大擾動下母線電壓的快速恢復，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檢測困難的問題。同時，CBC控制過程中開關管只動作兩次，在一定程度上減小了開關損耗，且開關頻率恒定。

2）通過適當選取電流參考方向，將兩種工作模式下電流的面積積分簡化為正向幾何面積求解，仿真與實驗驗證了電流面積估算和新穩(wěn)態(tài)電流值預測方法的有效性。將間接預測電容電流變化規(guī)律的思想進行擴展和優(yōu)化，得出一般的節(jié)點電流替代法及具有相似對稱的控制律，兩種工作模式下采用統(tǒng)一的數(shù)字控制器。

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