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　　摘要：分析了一種新型三端口雙向DC／DC變換器的工作原理，列寫了各工作模態(tài)下的狀態(tài)方程，并在此基礎(chǔ)上建立了小信號(hào)模型，推導(dǎo)出解耦控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，用頻域法設(shè)計(jì)了該變換器的閉環(huán)控制參數(shù)。對(duì)所設(shè)計(jì)控制器的控制性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制器設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)輸出電壓和光伏輸入端電壓的解耦控制，從而實(shí)現(xiàn)各端口的能量流控制。
　　
　　關(guān)鍵詞：變換器；小信號(hào)模型；控制系統(tǒng)
　　
　　1、引言
　　
　　在可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和混合動(dòng)力汽車中，通常包含多種能源輸入形式，利用多端口變換器將多種能源與負(fù)載地耦合在一起，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部功率和能量的優(yōu)化控制，具有重要意義。與常規(guī)的多級(jí)結(jié)構(gòu)相比，多端口變換結(jié)構(gòu)具有電路拓?fù)浜唵?，成本較低，功率密度高，效率較高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集中控制和能量管理有重大作用。
　　
　　文獻(xiàn)提出了一種新型三端口變換器拓?fù)洹Ｔ撏負(fù)淇稍诠夥斎攵藢?shí)現(xiàn)zui大功率點(diǎn)跟蹤，在電池端實(shí)現(xiàn)充放電控制。由于光伏組件模塊輸出電壓較低，此處結(jié)合光伏發(fā)電應(yīng)用，在文獻(xiàn)基礎(chǔ)上對(duì)該拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)，次級(jí)改用半橋倍壓的形式提高變換器增益，從而降低了變壓器變比。此外，該拓?fù)浣Y(jié)合輸出濾波器可抑制紋波電流。此處對(duì)改進(jìn)后的拓?fù)溥M(jìn)行小信號(hào)建模，推導(dǎo)解耦控制系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器。zui后基于實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制器的設(shè)計(jì)。
　　
　　2、變換器的建模與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　2．1變換器模型建立
　　
　　圖1示出改進(jìn)后的三端口DC／DC變換器，變壓器初級(jí)采用3個(gè)開關(guān)管控制功率流向，次級(jí)采用半橋倍壓的形式提高變換器增益。通過雙向端口的電流流向控制功率的流向來實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)管理。控制光伏端電壓Uin使其工作在zui大功率點(diǎn)處，負(fù)載較小時(shí)，電池端充電，儲(chǔ)存多余的能量；負(fù)載較大時(shí)，電池端放電，為變換器提供功率平衡，并實(shí)現(xiàn)輸出端電壓的穩(wěn)定。　　
　　各開關(guān)周期中，該三端口變換器拓?fù)溆?個(gè)工作模態(tài)，其基本開關(guān)波形如圖2所示。以光伏端電容C2，變壓器勵(lì)磁電感Lm，輸出電感Lo和輸出電容Co為狀態(tài)變量，推導(dǎo)變換器各電路階段的狀態(tài)方程。在*階段，V2導(dǎo)通，變壓器初級(jí)通以正電壓，Lo充電，電流流過Lo。電池端濾波電容的電流等于電池電流、變壓器勵(lì)磁電感電流iLm及次級(jí)電流折算值之和。該階段狀態(tài)方程為：　　
　　在第二階段，V1導(dǎo)通，變壓器初級(jí)電壓為負(fù)，Lo仍在充電，電流流過Lo。變壓器初級(jí)電壓等于輸入電壓減電池電壓，Lo的充電速度也隨之變化。第二階段的狀態(tài)方程為：　　
　　在第三階段，V3導(dǎo)通，變壓器初級(jí)電壓為零，由于中間支路（V3和VD3通道）的箝位，Lo放電。第三階段的狀態(tài)方程為：　　
　　此處認(rèn)為狀態(tài)變量由一個(gè)擾動(dòng)量疊加在直流分量X上，將3個(gè)狀態(tài)方程組乘以相應(yīng)占空比，運(yùn)用均值法，忽略二階分量后得到小信號(hào)方程，系統(tǒng)可用狀態(tài)空間矩陣形式表示。將小信號(hào)方程轉(zhuǎn)換到頻域后，系統(tǒng)可用狀態(tài)空間矩陣形式表示：　　
　　2．2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　
　　設(shè)計(jì)輸出電壓控制器Hovr和光伏輸入電壓控制器Hivr過程如下。通過調(diào)節(jié)占空比d1，d2控制Uo，Uin，因兩個(gè)控制量與輸出量之間相互耦合，給控制器設(shè)計(jì)帶來困難，利用圖3所示解耦網(wǎng)絡(luò)對(duì)兩個(gè)控制變量進(jìn)行解耦，從而可得出對(duì)象的開環(huán)傳遞函數(shù)Uo（s）／d1（s）和Uin（s）／d2（s），繼而設(shè)計(jì)相應(yīng)的閉環(huán)回路ovr和ivr。　　
　　由上述狀態(tài)方程及G（s）=（sI-A）-1B得到傳遞函數(shù)及不同占空比下的輸出電壓和光伏輸入電壓。其中，矩陣的行值代表各狀態(tài)變量，列值代表輸入控制量，如G（s）（4，1）代表第4個(gè)狀態(tài)變量Uo和*個(gè)控制變量d1之比。Hovr和Hivr可由式（6）設(shè)計(jì)。　　
　　解耦分別得到兩個(gè)傳遞函數(shù)后，利用波特圖設(shè)計(jì)閉環(huán)控制器。圖4示出Uo（s）／d1（s）的開環(huán)波特圖。可見，此系統(tǒng)穩(wěn)定，但相位裕度較小，且對(duì)高頻信號(hào)的抑制不夠。積分環(huán)節(jié)對(duì)高頻響應(yīng)有抑制作用，采用PI控制器抑制高頻信號(hào)，同時(shí)增大低頻增益，以獲得較小的穩(wěn)態(tài)誤差；當(dāng)然，為保證響應(yīng)速度，穿越頻率不能太小，同時(shí)應(yīng)保留足夠的相角裕度。綜上考慮，Hovr=（0．005s+5）／s。補(bǔ)償后Uo（s）／d1（s）穿越頻率為556Hz，相位裕度77．2°。同理可設(shè)計(jì)出Hivr。　　
　　3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　
　　采用恒壓源串電阻的形式簡單地模擬光伏組件特性：Uin=40V，串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻2Ω；電池端選用恒壓源Ub=24．5V。變壓器變比為1：5，勵(lì)磁電感Lm=1mH，額定功率80W，開關(guān)頻率100kHz。濾波參數(shù)：光伏輸入端濾波器電容C2=47μF，電池端濾波電容C1=47μF，輸出電感Lo=5μH，輸出電容Co=10μF，控制芯片采用單片機(jī)XE162FN。
　　
　　為驗(yàn)證以上控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在0．1s和0．2s時(shí)分別改變輸出電壓和光伏端輸入電壓指令，閉環(huán)條件下負(fù)載變化時(shí)各端口電壓電流特性如圖5和圖6所示。　　
　　圖5中．在0．1s時(shí)輸出電壓指令從80V階躍至60V，輸出電壓經(jīng)過0．02s的波動(dòng)后，基本調(diào)節(jié)到新的給定值，輸出電流從0．8A降至0．6A，輸出功率從64W降至36W；電池端電壓經(jīng)過一定波動(dòng)后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值（由20V變?yōu)?2V），同時(shí)電池電流從2．降至1．2A，電池端功率也從50W降至24．4W；而光伏輸入端電壓電流始終保持不變（Uin=38V，Iin=1A）。即輸出功率變化時(shí)，光伏輸入端功率不變，電池端電壓電流變化以提供功率平衡。
　　
　　在0．2s時(shí)光伏輸入端電壓指令從36V階躍至38V。由圖6可知，輸出電壓電流經(jīng)過微小的波動(dòng)后保持60V和0．6A不變；光伏輸入端電壓很快調(diào)節(jié)到新的給定值38V，同時(shí)光伏端電流從2A降至0．8A，光伏輸入端功率由72W降至30．4W；電池端電壓經(jīng)過一定的波動(dòng)后達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值（由24V變?yōu)?2V），同時(shí)電池電流從0．4A升至1．9A，電池端功率從9．6W升至41．8W；即光伏端輸入功率變化時(shí)，輸出端功率不變，電池端電壓電流變化以提供功率平衡。
　　
　　由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，閉環(huán)條件下，輸出電壓指令變化時(shí)，光伏輸入端電壓能夠保持恒定；反之亦然。即輸出電壓和光伏輸入端電壓能夠?qū)崿F(xiàn)解耦控制，輸入或輸出功率變化時(shí)，電池端的電壓電流也發(fā)生變化，以提供功率平衡。該控制方法能有效管理各端口之間的能量流，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電壓的解耦控制。
　　
　　4、結(jié)論
　　
　　對(duì)一種小功率三端口雙向DC／DC變換器進(jìn)行了建模分析和控制器設(shè)計(jì)。次級(jí)采用半橋倍壓的形式提高變換器增益，降低變壓器的變比、減小漏感，提高系統(tǒng)效率。此外，該拓?fù)浣Y(jié)合輸出濾波器可抑制紋波電流，改善輸出電流波形。由于拓?fù)浯渭?jí)采用半波整流方式，所需電容略有增加。此處在分析該變換器工作原理的基礎(chǔ)上，建立了該電路的小信號(hào)模型，進(jìn)而推導(dǎo)了傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了控制器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)輸出電壓與光伏輸入端電壓的解耦控制，能夠靈活調(diào)控各端口的功率，從而實(shí)現(xiàn)各端口的能量流控制。