学术简报｜在负载扰动情况下，怎样实现直流母线电压的快速恢复？
安徽工业大学电气与信息工程学院、安徽工业大学电力电子与运动控制重点实验室、加拿大皇后大学电气与计算机工程系的研究人员刘宿城、甘洋洋等，在2018年第24期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“超级电容接口双向DC-DC变换器的电压快恢复控制策略”）指出，直流微网中控制母线电压稳定是核心问题，在母线受到不同时间尺度的功率扰动时显得尤为重要。
针对直流母线瞬时功率不平衡问题，结合超级电容高功率密度特性，将电容电荷平衡控制思想引入超级电容接口双向DC-DC变换器，以实现母线电压在负载大扰动下的快速恢复。在现有单向电流DC-DC变换器的电容电荷平衡控制基础上，将间接预测电容电流变化规律的思路进行扩展和优化，得出一般的节点电流替代法及相应的控制律，达到快速控制双向DC-DC变换器的目的。给出了电容电荷平衡复合控制策略的具体实现过程，并利用平均电流模式控制和滞环电流限幅环节实现对接口变换器的双端稳定控制。最后通过仿真和样机实验验证了所提复合控制策略的有效性。
作为对集中式、远距离输电传统电力系统的扩展和补充，直流微网（DC Microgrids）将具有直流耦合特性的分布式能源（Distributed Energy Resources, DER）、储能系统（Energy Storage Systems, ESS）和现代电子负载集成为一个可控的整体。图1所示为直流微网的典型配置，其中直流母线为能量汇集和功率交换的中间媒介。
由于光伏、风电等微源的功率间歇性和负载扰动会威胁母线电压稳定，因此母线电压成为评价直流微网电能质量的重要指标。已有研究表明，将ESS单元通过双向DC-DC变换器连接至直流母线，在微源和负载之间形成能量缓冲器，可在一定程度上抑制母线电压的波动，提高直流微网供电的可靠性。
通常对于分布式微源出力波动的抑制，要求ESS环节的响应时间尺度为秒至分钟级，而对于负载扰动的抑制则要求ESS的响应时间尺度提高至毫秒级。直流微网发生负载大扰动时，需要ESS单元在母线侧吞吐较高的瞬时功率，以快速补偿母线上源荷两侧的瞬时功率差，防止母线电压产生较高的瞬时过冲或跌落。
与蓄电池相比，超级电容器具有功率密度大、循环寿命长、充放电速度快等优点，对直流微网的瞬时功率平衡控制具有先天优势。双向DC-DC变换器作为接口变换器，允许超级电容在宽电压范围内工作，提高了其能量利用率和使用寿命，然而双向变换器的动态性能却影响着超级电容对母线电压波动的响应时间。因此，如何提高双向DC-DC接口变换器的动态性能，成为值得研究的重要问题。
图1 直流微网的典型配置
非线性控制策略突破了传统线性控制的带宽限制，可从一定程度上改善DC-DC变换器的瞬态响应性能。目前大多数非线性控制是基于边界控制理论，而切换面的选择是边界控制理论的核心问题。由于不同类型的控制器在调节时间和鲁棒性等特性方面有很大差异，因此切换面的选择是多样的，典型的如滑模控制和滞环控制。
文献[21,22]将滑模控制应用于控制双向DC-DC变换器，使得系统在大信号下保持稳定且对系统的参数变化有很好的鲁棒性，但却存在输出抖动和在切换面上开关频率较高等问题。文献[23,24]采用滞环控制实现对双向DC-DC变换器的控制，具有控制简单和鲁棒性强等特点，但同样存在输出抖动和开关频率抖动等问题。利用几何面积法简化切换面的复杂计算，进而得到近似的最优控制，典型的如时间最优控制。文献[19,20]通过时间最优控制实现DC-DC变换器近似最佳的暂态响应，但开关面的选择比较依赖变换器系统参数和容差，进而降低了控制器的鲁棒性。
电容电荷平衡控制（Charge Balance Control, CBC）是一种基于电容电荷平衡原理的简化时间最优控制，在一定程度上降低了对系统参数的依赖。目前，CBC的控制思想已被应用于控制单向DC-DC变换器。文献[26,27]提出一种变结构电容电荷平衡控制策略，但根据控制逻辑来控制Buck变换器的电容电荷平衡辅助电路，存在反复切换的行为，增加了功率管的开关损耗。
文献[28,29]将电容电荷平衡控制算法用于控制Buck变换器，在负载扰动时具有优良的动态响应特性。但由于控制策略基于电压峰值点检测，需要复杂的模拟检测电路，控制算法缺乏通用性。文献[30,31]在限制控制占空比的条件下，将电容电荷平衡控制算法分别扩展应用于Buck-Boost变换器和双管正激变换器。但控制过程中开关管的动作次数增加，开关损耗增大。
文献[32]提出一种基于电容电荷平衡控制的数字控制算法应用于Boost变换器，通过间接预测电容变化规律来达到研究电容电荷平衡的目的。该控制算法简单且计算量少，适合数字控制实现，但控制对象仅针对单侧输出滤波电容电压。
综上所述，现有CBC的控制应用还局限于单向功率输出的控制，仅针对输出电压单侧调节。对于母线电压快速恢复这一应用场合，当由超级电容的输出功率控制切换到输入功率控制时，作为控制对象的母线侧电容将由输出滤波电容变成输入滤波电容，控制对象的角色发生改变，原有的几何面积法以及相应的控制律也将不再适用。因而现有CBC控制无法直接运用于双向DC-DC接口变换器的功率控制场合。
为了实现母线电压快速恢复，解决瞬态功率不平衡带来的母线电压波动问题，本文拟通过提高与超级电容接口双向DC-DC变换器的瞬态响应来解决。将文献[32]控制单向电流的间接预测电容电流变化规律的思想进一步扩展和优化，得出更一般的节点电流替代法及相应的控制律，并达到控制双向电流的目的，最终得到一种适用于双向DC-DC变换器控制的CBC和传统线性控制结合的复合控制策略，即：大扰动的暂态过程切换到相应的CBC控制，实现快速调节；小扰动过程采用增量式PID产生互补PWM波，其中线性PID控制可以保持良好的稳态控制精度，不存在输出抖动问题，同时开关管的互补驱动又能够实现较小暂态时双向变换器两种工作模式的平滑切换。实现功率双向流动的同时能够确保系统具有良好的动态性能。
本文首先分析CBC控制应用于双向DC-DC变换器中存在的问题，然后给出双向CBC控制策略的数学推导过程，接着阐述复合控制策略的实现步骤，最后通过仿真和200 W样机实验，验证CBC复合控制策略的有效性。
图14 CBC复合控制超级电容接口双向DC-DC变换器的实验测试平台
本文针对直流微网瞬时大信号负载扰动的控制需求，基于电容充放电平衡的思想，提出了一种用于超级电容接口双向Buck-Boost变换器的CBC复合控制策略，并进行了仿真与实验验证，得到主要结论如下：
1）所提CBC复合控制策略能够有效实现负载大扰动下母线电压的快速恢复，并解决了模拟控制存在的不规则电流积分及多电压峰值点检测困难的问题。同时，CBC控制过程中开关管只动作两次，在一定程度上减小了开关损耗，且开关频率恒定。
2）通过适当选取电流参考方向，将两种工作模式下电流的面积积分简化为正向几何面积求解，仿真与实验验证了电流面积估算和新稳态电流值预测方法的有效性。将间接预测电容电流变化规律的思想进行扩展和优化，得出一般的节点电流替代法及具有相似对称的控制律，两种工作模式下采用统一的数字控制器。
3）在互补PWM输出控制的基础上，结合平均电流模式控制和滞环电流限幅环节实现接口变换器稳态的双端口稳定控制，能够在稳定母线电压的同时兼顾超级电容的过电压欠电压保护以及最大持续工作电流限幅。