5kW三重化双向Buck_Boost变换器控制策略研究.pdf

5kW 三重化双向Buck/Boost 变换器控制策略研究 摘 要 单向或双向DC/DC 变换器作为电源、负载、储能介质与直流母线间的接口 设备，在直流微电网等系统中起着重要的作用，若针对系统中不同工况对应的接 口设备一一进行设计，势必会增加系统复杂程度和设计周期，不同厂家间设备操 作逻辑的不同，会增加系统调试难度和运行风险，故有必要将多种功能集成到一 个设备中，根据不同工况切换控制策略。论文以三重化双向Buck/Boost 变换器 为研究对象，运用DC/DC 开关变换器建模及控制理论，对用于直流微电网系统 的变换器各种工况下的控制策略进行研究，具有重要的现实意义。 论文在分析双向DC/DC 变换器不同拓扑特点，归纳总结双向Buck/Boost 变 换器控制策略、详细分析其工作原理的基础上，运用小信号分析方法建立了变换 器数学模型，对现有实验平台选用的功率器件的合理性进行了验证。针对变换器 为负载供电或平衡系统功率的功能需求，将其工作模式分为三种：Buck 模式、 Boost 模式和充放电模式，运用开关变换器控制理论，分别研究了三种模式下的 控制策略。充放电模式下，采用母线电压阈值控制作为电压外环，PI 调节器作为 电流内环，实现了系统的功率平衡。在Buck 和Boost 模式下，采用电压电流双 闭环控制策略，实现变换器恒压输出，但传统闭环控制存在大范围扰动下输出电 压的波动大于5%，且减小输出电压超调会引起调节时间增大的问题，因此论文 在保留传统反馈控制的基础上，采用模型预测预补偿控制策略优化变换器动态响 应性能，针对模型预测预补偿控制策略中模型预测部分算法设计较为复杂、待整 定参数较多的问题，将有限集模型预测与连续集模型预测算法相结合，提出一种 改进型的模型预测预补偿控制策略，通过模型预测在线调整反馈控制的电压给定 值，提高了变换器的动态响应性能，简化了设计难度，减少了待整定参数。 为了验证不同工作模式下采用的控制策略的可行性和所提控制策略的正确 性，利用MATLAB/Simulink 仿真和实验平台对三种模式进行研究，仿真和实验 结果均表明论文采用的控制策略的可行性和所提的控制策略的正确性。 关键词：双向DC/DC 变换器，三重化，储能系统，控制策略，模型预测 I 目 录 摘 要 I Abstract II 第一章 绪论 6 1.1 论文研究背景与意义6 1.2 双向DC/DC 变换器拓扑7 1.2.1 隔离型双向DC/DC 变换器7 1.2.2 非隔离型双向DC/DC 变换器7 1.3 双向DC/DC 变换器控制策略研究现状8 1.3.1 闭环控制8 1.3.2 母线电压阈值控制 11 1.4 论文研究内容 12 第二章 三重化双向Buck/Boost 变换器建模 14 2.1 变换器拓扑及工作原理 14 2.1.1 三重化双向Buck/Boost 变换器拓扑 14 2.1.2 三重化双向Buck/Boost 变换器工作原理 14 2.2 三重化双向Buck/Boost 变换器数学模型23 2.2.1 Buck 模式数学模型24 2.2.2 Boost 模式数学模型27 2.3 实验平台硬件参数验证30 2.3.1 储能电感的参数计算与验证30 2.3.2 高低压侧电容参数计算与验证31 2.3.3 IGBT 参数验证32 2.4 本章总结32 第三章 三重化双向Buck/Boost 变换器控制策略 33 3.1 变换器工作模式33 3.2 变换器各模式控制策略研究34 3.2.1 Buck 模式控制策略34 3.2.2 Boost 模式控制