作為對集中式、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）、儲能系統(tǒng)（Energy Storage Systems, ESS）和現(xiàn)代電子負(fù)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(fēng)電等微源的功率間歇性和負(fù)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(biāo)。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(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，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(yīng)時間尺度為秒至分鐘級，而對于負(fù)載擾動的抑制則要求ESS的響應(yīng)時間尺度提高至毫秒級。直流微網(wǎng)發(fā)生負(fù)載大擾動時，需要ESS單元在母線側(cè)吞吐較高的瞬時功率，以快速補(bǔ)償母線上源荷兩側(cè)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(diǎn)，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(yīng)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(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(xiàn)[21,22]將滑?？刂茟?yīng)用于控制雙向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(guān)頻率較高等問題。文獻(xiàn)[23,24]采用滯環(huán)控制實(shí)現(xiàn)對雙向DC-DC變換器的控制，具有控制簡單和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)，但同樣存在輸出抖動和開關(guān)頻率抖動等問題。利用幾何面積法簡化切換面的復(fù)雜計(jì)算，進(jìn)而得到近似的最優(yōu)控制，典型的如時間最優(yōu)控制。文獻(xiàn)[19,20]通過時間最優(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(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)載擾動時具有優(yōu)良的動態(tài)響應(yīng)特性。但由于控制策略基于電壓峰值點(diǎn)檢測，需要復(fù)雜的模擬檢測電路，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。但控制過程中開關(guān)管的動作次數(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，通過間接預(yù)測電容變化規(guī)律來達(dá)到研究電容電荷平衡的目的。該控制算法簡單且計(jì)算量少，適合數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)，但控制對象僅針對單側(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，僅針對輸出電壓單側(cè)調(diào)節(jié)。對于母線電壓快速恢復(fù)這一應(yīng)用場合，當(dāng)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(cè)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(yīng)的控制律也將不再適用。因而現(xiàn)有CBC控制無法直接運(yùn)用于雙向DC-DC接口變換器的功率控制場合。

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(yīng)來解決。將文獻(xiàn)[32]控制單向電流的間接預(yù)測電容電流變化規(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：大擾動的暫態(tài)過程切換到相應(yīng)的CBC控制，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)；小擾動過程采用增量式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，不存在輸出抖動問題，同時開關(guān)管的互補(bǔ)驅(qū)動又能夠?qū)崿F(xiàn)較小暫態(tài)時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(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)過程，接著闡述復(fù)合控制策略的實(shí)現(xiàn)步驟，最后通過仿真和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)合控制超級電容接口雙向DC-DC變換器的實(shí)驗(yàn)測試平臺

結(jié)論

本文針對直流微網(wǎng)瞬時大信號負(fù)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(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)檢測困難的問題。同時，CBC控制過程中開關(guān)管只動作兩次，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)測方法的有效性。將間接預(yù)測電容電流變化規(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)定母線電壓的同時兼顧超級電容的過電壓欠電壓保護(hù)以及最大持續(xù)工作電流限幅。