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摘要:基于儲(chǔ)能的多端口電源系統(tǒng)主要包括燃料電池、超級(jí)電容器儲(chǔ)能和兩組DC/DC變換器單元，根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)了各組成部分的結(jié)構(gòu)功能，分析了系統(tǒng)能量管理方案和儲(chǔ)能單元的配置策略。燃料電池單元配備單向DC/DC變換器，采用電壓電流雙閉環(huán)控制為負(fù)載和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元提供能量;負(fù)載動(dòng)態(tài)變化時(shí)，通過儲(chǔ)能單元及其雙向DC/DC變換器，采用滑模控制和分段PI控制相結(jié)合的策略，實(shí)現(xiàn)能量的快速傳遞控制，提高系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定性。建立系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行分析，驗(yàn)證了多端口電源系統(tǒng)控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞:燃料電池;超級(jí)電容器儲(chǔ)能;多端口電源;能量管理;DC/DC變換器

0引言

多端口電源系統(tǒng)屬于復(fù)合式發(fā)電系統(tǒng)，通常包括分布式電源、DC/DC變換器、儲(chǔ)能單元、直流母線以及負(fù)載等。DC/DC變換器中，單向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)從源側(cè)向負(fù)載的能量傳遞;而雙向DC/DC變換器能夠根據(jù)控制需要，靈活地實(shí)現(xiàn)升降壓、能量雙向傳遞的功能，應(yīng)用廣泛［1－2］。滿足輸出電壓匹配的同時(shí)，通過良好的控制，雙向DC/DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)電流均衡、輸出高穩(wěn)定性等功能，常見的分析方法包括狀態(tài)空間平均法、平均電流模式、環(huán)流控制模式和智能控制算法等［3－4］。文獻(xiàn)［5］提出一種新的移相均流控制策略，解決傳統(tǒng)兩相并聯(lián)DC/DC電路電感電流紋波較大、兩相間電流不均衡的問題。文獻(xiàn)［6］利用狀態(tài)空間平均法建立了雙向DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型，并提出一種簡單實(shí)用的基于變量代換和參數(shù)估計(jì)的復(fù)合校正電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制策略。DC/DC變換器在新能源和多端口系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越多［7］。文獻(xiàn)［8］通過隔離的三端口雙向DC/DC變換器構(gòu)建了一個(gè)包含燃料電池和儲(chǔ)能單元的復(fù)合能量系統(tǒng)。本文針對(duì)構(gòu)建的多端口電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)各單元的結(jié)構(gòu)功能，分析了系統(tǒng)能量管理方案和儲(chǔ)能單元的配置策略。通過系統(tǒng)控制，在負(fù)載穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)波動(dòng)的情況下，維持負(fù)載的供電穩(wěn)定;建立系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多端口電源系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了有效性驗(yàn)證分析。

1多端口電源系統(tǒng)原理與儲(chǔ)能配置

1．1系統(tǒng)原理與能量管理

多端口電源系統(tǒng)主要包括燃料電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能和單向/雙向DC/DC變換器三個(gè)單元。燃料與氧化劑發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)燃料電池的發(fā)電。這里用的燃料主要是氫氣，通常選擇以甲烷為主的天然氣，再通過燃料重整產(chǎn)生，但是燃料重整的這個(gè)化學(xué)過程比較緩慢，并且控制氣體流量的機(jī)械系統(tǒng)也存在一定的滯后問題。所有這些，使得當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電系統(tǒng)要經(jīng)歷一個(gè)較長的暫態(tài)過程，才能達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)，來滿足供需平衡。為解決燃料電池輸出特性偏軟、瞬態(tài)響應(yīng)慢的問題，通常采用快速儲(chǔ)能單元輔助燃料電池發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)，以便適應(yīng)負(fù)載的變化以提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，儲(chǔ)能單元一般采用超級(jí)電容器模組來實(shí)現(xiàn)。

1．2超級(jí)電容儲(chǔ)能單元容量配置

實(shí)際控制中，燃料電池的控制器通常設(shè)計(jì)為一階系統(tǒng)，而其響應(yīng)速度要比燃料電池慢。

2多端口電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

2．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

多端口電源變換器主電路拓?fù)洌黧w結(jié)構(gòu)為兩組變流器單元并聯(lián)供電系統(tǒng)。圖3中:燃料電池輸出電壓ufu，輸出電流ifu，跟隨一個(gè)Boost升壓DC/DC斬波電路;儲(chǔ)能單元由超級(jí)電容器串并聯(lián)構(gòu)成超級(jí)電容器模組，輸出電壓usc，輸出電流isc，跟隨一個(gè)雙向DC/DC斬波電路;L1、L2為儲(chǔ)能電感;S1、S2、S3為全控型電力電子器件，實(shí)現(xiàn)回路的通斷控制;D1、D2、D3為續(xù)流二極管，對(duì)應(yīng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)提供相應(yīng)的電流通路;C為輸出濾波電容;RL為負(fù)載;uo為負(fù)載母線電壓;io為負(fù)載電流。

2．2控制策略

多端口電源系統(tǒng)具有兩個(gè)DC/DC變換器，可以獨(dú)立控制燃料電池和儲(chǔ)能單元的輸出功率。燃料電池作為整個(gè)多端口電源變換器的功率輸出源，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，燃料電池需要向負(fù)載母線提供穩(wěn)定的功率，即在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)其變換器將提供所有的負(fù)載母線輸出功率，同時(shí)還需要補(bǔ)償或釋放超級(jí)電容儲(chǔ)能單元的虧損或多余功率(此部分需要超級(jí)電容及其DC/DC變換器控制的協(xié)同合作)。因此，燃料電池的DC/DC變換器控制必須快速將燃料電池當(dāng)前產(chǎn)生的能量釋放出去，同時(shí)需要在負(fù)載平穩(wěn)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)母線輸出電壓的控制。理想狀態(tài)下，穩(wěn)態(tài)燃料電池的DC/DC變換器控制負(fù)載的電壓uo穩(wěn)定;負(fù)載突變時(shí)，超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元提供迅速的功率支撐，維持uo穩(wěn)定。

3仿真驗(yàn)證

在PSIM電力仿真軟件中搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)多端口電源系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行仿真分析。仿真系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)如表1所示。其中:ufu為燃料電池的輸出電壓;usc為超級(jí)電容器等效電容的初始電壓;輸出給定電壓設(shè)為DC100V;fPWM為功率器件的開關(guān)頻率;Ts為采樣時(shí)間。

4結(jié)束語

針對(duì)基于儲(chǔ)能的多端口電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和能量管理方案，并對(duì)超級(jí)電容器儲(chǔ)能單元進(jìn)行了容量配置。系統(tǒng)中的兩組DC/DC變換器均以電壓電流雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，提出了相應(yīng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載電壓的穩(wěn)定控制和能量的快速傳遞控制。系統(tǒng)仿真分析表明，負(fù)載波動(dòng)時(shí)超級(jí)電容器單元能夠有效調(diào)節(jié)，維持負(fù)載電壓穩(wěn)定，驗(yàn)證了系統(tǒng)控制策略的可行性。

參考文獻(xiàn)：

［3］符贊宣，瞿文龍，張旭．平均電流模式DC/DC變換器均流控制方法［J］．清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，43(3):337－340．

［4］陸治國，祝萬平，劉捷豐，等．一種新型交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC/DC變換器［J］．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(12):39－46.

作者：馮興田1;陶媛媛1;孫添添2 單位：1．中國石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院，2．國網(wǎng)山東省電力公司東營供電公司