㊀㊀㊀㊀收稿日期:2020-04-21;修回日期:2020-11-26基金项目:云南电网有限责任公司电力科学研究院科技项目(0562002018030304Z N 00004);国家自然科学基金(51977067)通信作者:罗恩博(1986-),男,硕士,工程师,主要从事电网自动化及新能源并网控制技术研究;E -m a i l :214722177@q q.c o m 第37卷第3期电力科学与技术学报V o l .37N o .32022年5月J O U R N A LO FE I E C T R I CP O W E RS C I E N C EA N DT E C H N O L O G YM a y 2022㊀一种基于级联B u c k -B o o s t 变换器的多储能并联系统及其控制策略设计苏㊀适,栾思平,罗恩博,杨㊀洋(云南电网有限责任公司电力科学研究院,云南昆明650000)摘㊀要:储能单元是直流微电网可靠运行需要解决的关键环节,传统的双向B u c k -B o o s t 变换器在电压增益及成本等方面不具有优势,因此需要新的设计方案㊂首先,以基于级联型B u c k -B o o s t 变换器的储能系统为研究对象,提出级联B u c k -B o o s t 变换器作为子模块的系统设计方案;然后,通过对级联B u c k -B o o s t 变换器的工作模态分析,确定其在B u c k 和B o o s t 模式下的电压增益,并给出调制策略,同时结合直流微网运行模式,进一步提出储能系统的整体运行方案,在不同的工况下采用合适的控制策略来维持微网的可靠运行;最后,搭建相关仿真验证了所设计的储能系统和控制方案的有效性㊂关㊀键㊀词:储能单元;直流变换器;下垂控制D O I :10.19781/j .i s s n .1673-9140.2022.03.008㊀㊀中图分类号:TM 46㊀㊀文章编号:1673-9140(2022)03-0070-07A m u l t i -s t o r a g e p a r a l l e l s ys t e mb a s e d o n c a s c a d e dB u c k -B o o s t c o n v e r t e r a n d i t s c o n t r o l s t r a t e g y d e s i gn S US h i ,L U A NS i p i n g ,L U O E n b o ,Y A N G Y a n g(E l e c t r i cP o w e r S c i e n c eR e s e a r c h I n s t i t u t e ,Y u n n a nP o w e rG r i dC o .,L t d .,K u n m i n g 650000,C h i n a )A b s t r a c t :E n e r g y s t o r a g eu n i t i s o n e o f t h e k e y f a c t o r s w h i c h c a n e n s u r e t h e r e l i a b l e o p e r a t i o n o fD C m i c r o gr i d s .T r a d i -t i o n a l b i -d i r e c t i o n a l B u c k -B o o s t c o n v e r t e r s h a v e n o a d v a n t a g e s i n v o l t a g e g a i n r e g u l a t i o n a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c o s t ,s o an e wd e s i g n s c h e m e i s r e q u i r e d t om a k e a t r a d e -o f f b e t w e e n t h e r e g u l a t i o n c a p a b i l i t y a n d c o s t .F i r s t ,f o r t h e e n e r g ys t o r a g e s y s t e mb a s e do n c a s c a d e dB u c k -B o o s t c o n v e r t e r ,t h i s p a p e r p r o p o s e s a s y s t e m -l e v e l d e s i g n s c h e m ew h i c h u s i n g c a s c a d e dB u c k -B o o s t c o n v e r t e r a s t h e s u bm o d u l e .T h e n ,t h e v o l t a g e g a i n r e g u l a t i o n o f t h e c a s c a d e dB u c k -B o o s t c o n v e -r t e r i nB u c k a n dB o o s tm o d e i s i n v e s t i g a t e db y a n a l y z i n g t h ew o r k i n g m o d e ,a n d t h em o d u l a t i o n s t r a t e g y i s p r o po s e d -f o r t h e c a s c a d e dB u c k -B o o s t c o n v e r t e r .A t t h e s a m e t i m e ,w i t h t h e c o n s i d e r a t i o no f t h e o p e r a t i o nm o d e o fD C m i c r o -g r i d ,t h e o v e r a l l o p e r a t i o ns t r a t e g i e s o f e n e r g y s t o r a g es y s t e ma r e f u r t h e r p r o p o s e dt oe n a b l e t h es t o r a g e t oa d o p t t h e a p p r o p r i a t e c o n t r o l s t r a t e g y t o s e c u r e t h e r e l i a b l eo p e r a t i o no fm i c r o g r i du n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s .F i n a l l y ,t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e d e s i g n e de n e r g y s t o r a g e s y s t e ma n d t h e c o n t r o l s t r a t e g y a r e v e r i f i e db y se v e r a l s i m u l a t i o n s .K e y wo r d s :e n e r g y s t o r a g e s y s t e m ;D C /D Cc o n v e r t e r ;d r o o p c o n t r o l Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第3期苏㊀适,等:一种基于级联B u c k-B o o s t变换器的多储能并联系统及其控制策略设计㊀㊀随着能源危机和环境问题日益加剧,直流微电网技术作为一种解决手段,在分布式能源接入领域得到了巨大发展㊂直流微电网优点在于可大量接纳光伏㊁风力发电等新能源发电,并通过采用相关的协调控制和能量管理等方式实现系统本地运行,同时也可以由变流装置接入大电网实现并网运行[1-3]㊂由于微电网中新能源发电的渗透率较高,间歇性和波动性较大,因此需要大量的储能单元来维持系统的瞬时功率不平衡[4]㊂典型的直流微电网结构如图1所示,其中储能单元通过双向D C/D C变换器连接到直流总线上㊂针对含光伏源的直流微电网系统,文献[5]提出了一种微电网孤岛与并网模式的平滑切换控制方法,实现了微电网在多种运行模式下的不同控制策略的切换;文献[6]提出了一种混合储能控制及系统分层协调控制策略,维持直流微电网功率平衡;文献[7]以直流母线电压为控制目标,详细分析了直流微电网各变流器对母线电压的影响㊂针对直流微电网,文献[8]提出了一种自适应分级协调控制,用以解决多储能单元接入的荷电状态均衡问题㊂用于储能单元的双向D C/D C变换器可以分为2种:隔离型D C/ D C变换器,常见的有双主动全桥(d u a la c t i v e b r i d g e,D A B)[9]㊁双主动半桥(d u a lh a l fb r i d g e, D H B)[10]等;非隔离型D C/D C变换器,有双向B u c k-B o o s t变换器[11]㊁级联B u c k-B o o s t变换器[12-13]等㊂D A B等隔离型变换器在隔离和电压增益等方面上具有优势,但增加的高频变压器会使得变换器的成本变高,目前实际应用比较少㊂在储能单元的实际使用上,非隔离D C/D C变换器的应用越来越广泛㊂文献[14]采用双向B u c k-B o o s t变换器作为直流微电网中的储能单元变换器;文献[11,15]进一步根据直流母线电压设计了不同工作模式,并实现了储能单元在不同运行模式下的自由切换㊂双向B u c k-B o o s t变换器工作时存在一定的局限性,即任何一种电流流向只能对应一种工作模式(B u c k或B o o s t模式),导致电压增益比较低㊂但级联B u c k-B o o s t变换器相当于2个双向B u c k-B o o s t 变换器级联实现双向升降压变换,在没有这个限制的情况下,可以大大地提高电压增益范围㊂文献[16]具体分析了级联B u c k-B o o s t变换器的多种工作模态,并给出了软开关优化策略;文献[17-18]分析了级联B u c k-B o o s t变换器在不同工作模式下的小信号模型,并根据得到的小信号模型设计了相应的控制器㊂本文使用级联B u c k-B o o s t变换器作为直流微电网系统储能单元接口变换器,根据直流微电网的实际要求,设计在不同工作模式下变换器的控制策略㊂首先给出了基于级联B u c k-B o o s t变换器的直流微电网储能单元结构;然后结合其工作原理,分析级联B u c k-B o o s t变换器的不同工作模式,再根据针对直流微电网的工况确定储能单元的控制策略;最后搭建仿真及硬件平台对所提的设计方案和控制策略进行验证㊂光伏发电储能装置邻近负荷风力发电外部电网DCDCDCDCDCDCACDCACDC图1㊀直流微电网结构F i g u r e1㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo fD C m i c r o g r i d1㊀储能单元设计1.1㊀储能单元整体方案基于级联B u c k-B o o s t变换器的储能单元结构如图2所示,储能单元通过级联-B o o s t变换器图2㊀储能单元结构F i g u r e2㊀E n e r g y s t o r a g eu n i t s t r u c t u r e17Copyright©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年5月与直流母线连接㊂同时,为了提高储能端口的容量,将多个模块输出侧并联在直流母线上,一方面增强了储能单元平抑功率波动的能力,另一方面也有利于提高系统的冗余程度和实现储能单元模块化,从而提高系统的稳定性,降低系统维护难度㊂1.2㊀子模块工作模态分析由图2可知,级联B u c k -B o o s t 变换器由4个开关管S 1㊁S 2㊁S 3和S 4和一个电感L 组成,其中v i 为子模块的输入电压㊂电压变换器工作时,同一桥臂的2个开关管互补导通,分别记占空比为d 1㊁d 2㊁d 3和d 4㊂实质上级联B u c k -B o o s t 变换器看成2个双向B u c k -B o o s t 变换器级联形成,主要有B o o s t ㊁B u c k 模式㊂当S 1一直导通,S 3㊁S 4根据调制信号交替导通,此时B u c k -B o o s t 变换器工作于B o o s t 模式,此时v i <v o ;当S 3一直导通,S 1㊁S 2由根据调制信号交替导通,此时级联B u c k -B o o s t 变换器可以工作于B u c k 模式,此时v i >v o ㊂具体模态分析如图3所示㊂（b ）模态2（c ）模态3（a ）模态1图3㊀子模块工作模态F i gu r e 3㊀S u b -m o d u l ew o r k i n g m o d a l i t i e s 不同模态下,电感电压表达式为Ld i Ld t=m 1v i -m 2v o (1)式中㊀m 1㊁m 2均为开关状态㊂m 1=1时,表示S 1导通,S 2关断;m 2=1时,表示S 3导通,S 4关断㊂B o o s t 模式由模态1和2组成,m 1一直等于1,对m 2周期平均化后可得输入输出稳态关系,即v o =v i/d 3(2)㊀㊀类似的B u c k 模式下输入输出稳态关系,即v o =v id 1(3)㊀㊀通过上述分析,双向B u c k -B o o s t 变换器正常工作时只相当于级联B u c k -B o o s t 变换器一种模式,但级联B u c k /B o o s t 变换器可以通过确定主控管S 1和S 3的状态调整变换器切换升降压状态,从而提高电压增益范围㊂就控制复杂性而言,无论在B u c k 还是B o o s t 模式,S 1㊁S 2㊁S 3和S 4的开关状态都不再完全互补或相等,即左右2个桥臂在B u c k 或B o o s t 模式下需要独立的调制,如图4所示㊂因此为了在B u c k 和B o o s t 模式下级联B u c k -B o o s t 变换器都能正常工作,需要分别设计在B u c k 和B o o s t 模式下的调制策略,这会加剧控制系统的复杂程度㊂本文提出了通过载波平移的方法实现既适用于B u c k 也适用于B o o s t 模式的调制方式㊂由图4可知,2个载波V c a r 1㊁V c a r 2上下平移,使D C /D C 变换器只能处于B o o s t ㊁B u c k 这2种模式㊂当控制信号在B o o s t 模式区间时,V c t r l 恒大于V c a r 1,此时S 1一直导通,S 3和S 4则根据控制信号调制交替导通;同理,当控制信号在B u c k 模式区间时,V c t r l 恒小于V c a r 2,此时S 3一直导通,S 1和S 2则交替导通㊂由上述分析可知,当占空比为正或负时,一侧桥臂的占空比自然为1或0,自动实现了B u c k 或B o o s t 模式的切换㊂V carV ctrl V car1V car2S 1S 4载波平移单元+-+-()载波平移调制方式V ctrl carlV V L2=V car2(b)载波平移调制波形图4㊀调制策略F i gu r e 4㊀M o d u l a t i o nS t r a t e g y 27Copyright ©博看网. All Rights Reserved.第37卷第3期苏㊀适,等:一种基于级联B u c k -B o o s t 变换器的多储能并联系统及其控制策略设计2㊀储能单元控制策略2.1㊀整体控制策略直流微电网一般利用A C /D C 变换器来实现直流母线电压稳压,储能和新能源发电单元只需根据调度指令进行相应的功率或电流输出即可[19]㊂而对于储能模块来说,频繁充放电会导致储能单元寿命受影响,因此当新能源发电单元能够满足系统需求时,储能单元只需根据荷电状态(s t a t eo f c h a r ge ,S O C )值进行充放电的选择,即在S O C 值过高时采用恒流工作模式放电,过低时采用恒流工作模式充电㊂然而,一旦A C /D C 变换器发生限流运行㊁故障退出或者风电/光伏等间歇性电源出力波动过大等问题,将会导致直流微电网功率不平衡的后果,从而致使母线电压持续降低或升高,系统将可能崩溃中止运行㊂因此,在系统控制中,必须考虑直流微电网中储能单元的有效控制,根据实际工况的输出或者吸收功率情况做出相对应的动作,使直流母线电压保持在允许的稳定运行范围之内㊂根据上述分析,将储能单元的工作状态分成以下3类㊂1)空闲模式㊂储能单元既不充电也不放电㊂2)电压模式㊂储能单元在A C /D C 单元失控,无法实现直流母线电压稳定时,进行母线电压控制㊂3)电流模式㊂储能单元在A C /D C 单元正常运行时,根据实际工况的功率情况做出的恒流充放电对应动作㊂不同工作状态的关系如图5所示㊂电压模式电流模式空闲模式直流母线电压正常直流母线电压异常SOC 正常SOC 过高或过低图5㊀储能单元工作模式关系F i gu r e 5㊀E n e r g y s t o r a g eu n i tw o r k i n g m o d e r e l a t i o n s h i p 在实现工况应用时,在达到系统稳态目标后,直流母线电压会在一定上下限内变化,而不是完全跟随给定参考电压指令[11]㊂如果储能单元工作模式只是根据直流母线电压瞬时值与指令值的差值来确定,会导致系统在电压工作模式和其他几种工作模式之间发生来回切换现象㊂这样一方面会导致系统控制的不稳定,另一方面也会导致系统的频繁充放电现象㊂因此本文通过设定电压工作区间来判断系统工作模式是否需要切换㊂具体控制策略如图6所示㊂开始采集U bus 、S OC｜U set -U bus ｜<U limit ?否电压模式电流模式返回空闲模式否20%<S OC <20%是图6㊀整体控制策略F i gu r e 6㊀O v e r a l l c o n t r o l s t r a t e g y 图6中,U b u s 为直流母线电压检测值,U s e t 为设定值,U l i m i t 为偏差区间,只有当|U b u s -U s e t |超过U l i m i t 时,才认为A C /D C 变换器出现问题,需要储能单元控制母线电压㊂如果母线电压在系统允许的范围,此时会根据检测到S O C 值判断是否需要恒流充放电,然后根据检测的S O C 状态,来判断是否需要充电和放电㊂当S O C <0.2时,采用恒流控制进行充电;当S O C >0.8时,采用恒流控制进行放电;当0.2ɤS O C ɤ0.8时,储能单元处于空闲状态㊂2.2㊀电压模式和电流模式控制器设计在电压工作模式下,n 个储能单元子模块输出侧直接并联,等效于输出稳定的多个电压源并联㊂子模块参数或者线路参数差异会导致子模块电流偏差较大,增大器件应力的同时还可能会导致系统的不稳定㊂本文采用下垂控制方式,将下垂控制加在级联B u c k -B o o s t 变换器的电压电流双环控制之外,作为控制外环,得到级联B u c k -B o o s t 变换器输出直流电压参考值,具体控制如图7所示㊂下垂控制得到指令为V s e t (i )=V 0-k D r o o p ㊃i o (i )(4)式中㊀V 0为直流母线电压设定的期望值;k D r o o p 为下垂系数㊂37Copyright ©博看网. All Rights Reserved.电㊀㊀力㊀㊀科㊀㊀学㊀㊀与㊀㊀技㊀㊀术㊀㊀学㊀㊀报2022年5月实质上,下垂控制相当于增大变换器输出阻抗,使得该阻抗值远超过线缆阻抗以及其他参数,从而保证各储能单元输出电流的均衡[6]㊂相较于主从控制,下垂控制不需要额外的通讯线,更适合于分布式系统㊂根据B u c k和B o o s t模式小信号电路数学模型及各级传递函数可以得到系统传递函数及系统特征方程㊂依据劳斯判据等相关原则可得到系统下垂系数取值范围㊂同时,由于下垂控制是通过增加变换器输出阻抗来实现不同模块均流,所以导致电压偏差和电流分配精度相互矛盾,如图8所示,#1和#2分别为2个变换器的输出电流,ΔI1㊁ΔI2为2个变换器分流偏差㊂直流电网的电压运行在一个范围内,在不超出正常电压范围时,可适当增加下垂系数提高均流效果㊂图7㊀电压模式控制器F i g u r e7㊀V o l t a g em o d e c o n t r o l l e rVV图8㊀不同下垂系数下均流效果,k D r o o p1>k D r o o p2F i g u r e8㊀C u r r e n t s h a r i n g e f f e c t u n d e r d i f f e r e n t d r o o pc o e f f i c i e n t s,k D r o o p1>k D r o o p2在电流工作模式下,n个储能单元子模块输出侧直接并联,等效于输出稳定的多个电流源并联,电流工作模式的具体控制如图9所示㊂电流参考值I s e t与变换器当前电流i o比较后,经由P I调节器得出值,送至P WM模块生成开关管的驱动信号㊂图9㊀电流模式控制器F i g u r e9㊀C u r r e n tm o d e c o n t r o l l e r3㊀仿真验证为验证本文提出控制策略在实际系统中的可行性,将通过P S I M进行仿真验证,仿真中主电路及控制参数如表1所示,仿真结果如图10㊁11所示㊂仿真中采用2个有参数差异的子模块并联组成储能单元,验证其在不同模式下控制策略的有效性㊂表1㊀主电路及控制参数T a b l e1㊀M a i n c i r c u i t a n d c o n t r o l p a r a m e t e r参数单位数值输入电压V100输出电压参考值V1502个子模块电感mH1㊁1.1子模块电容m F0.5下垂系数 0.5电压控制器s0.5+1/0.01电流控制器s2+1/0.01场景1㊀当A C/D C变换器正常工作(|U b u s-U s e t|未超过U l i m i t)㊁0.3s时,储能单元进行恒流充放电㊂由图10可知,电流模式下储能单元设置的接入对母线电压的影响可忽略㊂同时,尽管子模块参数不同,在切换的瞬间不同模块的电流值有所偏差,随后通过P I调节器的调节,0.1s后不同子模块的电流近似相等,充分说明了控制策略的有效性㊂场景2㊀当A C/D C变换器不能正常工作时(| U b u s-U s e t|超过U l i m i t),储能单元进入电压模式㊂由于2个不同子模块间存在参数偏差,即模拟实际工况中线缆阻抗差异较大的情况,而子模块并联在同一直流母线上,势必会造成输出电流不平衡的问题㊂由图11可知,加入的下垂控制使不同子模47Copyright©博看网. All Rights Reserved.第37卷第3期苏㊀适,等:一种基于级联B u c k -B o o s t 变换器的多储能并联系统及其控制策略设计块的电流偏差较小,基本实现了均流的功能(不同子模块参数偏差设置为10%)㊂由图11(b )可知,母线电压与电流模式相比有比较大的下降㊂在动态性能上,切换的瞬间无论是电压还是电流波形都有一定超调,通过控制器的调节,0.1s 后达到稳态,充分说明了控制策略的有效性㊂（b ）母线电压（a ）子模块输出电流1.00.80.60.40.22520151050-5-10i o /At /s切换点i o1i o21.00.80.60.40.220015010050V b u s /Vt /s 切换点0.0图10㊀空闲切换至电流模式运行情况F i gu r e 10㊀C u r r e n tm o d e o p e r a t i o n （b ）母线电压（a ）子模块输出电流1.00.80.60.40.220151050-5-10i o /At /s切换点i o1i o21.00.80.60.40.2200150100500V b u s /Vt /s切换点0.0图11㊀空闲切换至电压模式运行情况F i gu r e 11㊀V o l t a g em o d e o p e r a t i o n 由图10㊁11的仿真结果可知,无论是在电流模式还是电压模式下,系统都能正常工作,说明整体控制策略在不同模式下都能起作用,对系统有良好的支撑作用㊂4㊀结语本文对比分析了常见用于直流微电网储能单元的直流变换器,提出了一种基于级联B u c k -B o o s t 变换器的设计方案㊂通过对级联B u c k -B o o s t 变换器的工作模态分析,得出级联B u c k -B o o s t 变换器电压增益范围的优势,并给出相应的调制策略㊂同时根据储能单元在微电网运行时所可能发生的工况确定控制策略,并对其中的电压模式和电流模式进行了详细分析㊂最后,搭建了相关仿真验证了所提储能单元方案的可行性㊂参考文献:[1]李波,田纯,倪广魁,等.基于J A D E 平台的智能配电网自愈系统设计[J ].智慧电力,2020,48(2):9-16.L IB o ,T I A N C h u n ,N IG u a n g k u i ,e ta l .D e s i g no fs e l f -h e a l i n g s ys t e mi ns m a r td i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do n J A D E p l a t f o r m [J ].S m a r tP o w e r ,2020,48(2):9-16.[2]王源,南海鹏,关欣.风水储微电网优化调度策略研究[J ].高压电器,2020,56(05):216-222.WA N G Y u a n ,N A N H a i p e n g ,G U A N X i n .O pt i m a l s c h e d u l i n g S t r a t e g y o f w i n d -h y d r o -s t o r a g e m i c r o -g r i d [J ].H i g hV o l t a g eA p pa r a t u s ,2020,56(05):216-222.[3]丁雨,于艾清,高纯.基于改进一致性算法的独立光储直流微电网电压稳定能量协调策略[J ].中国电力,2022,55(3):74-79.D I N G Y u ,Y U A i q i n g ,G A O C h u n .A ne n e r g y co o r d i -n a t i o n s t r a t e g y f o r i s l a n dD Cm i c r o gr i dw i t h p h o t o v o l t a -i c a n ds t o r a g es y s t e m b a s e do n i m p r o v e dc o n s e n s u sa l -go r i t h m [J ].E l e c t r i cP o w e r ,2022,55(3):74-79.[4]陆维,赵兴勇,赵钰彬,等.孤网模式下交直流混合微电网互联变换器综合下垂控制[J ].电测与仪表,2020,57(2):101-108.L U W e i ,Z HA O X i n g y o n g,Z HA O Y u b i n ,e ta l .I n t e -g r a t e dd r o o p c o n t r o l o fA C /D Ch y b r i d m i c r o gr i d i n t e r -l i n k i n g c o n v e r t e r i n i s o l a t e d n e t w o r km o d e [J ].E l e c t r i c a l M e a s u r e m e n t&I n s t r u m e n t a t i o n ,2020,57(2):101-108.[5]张林,郭辉,姚李孝,基于改进蝙蝠算法的微电网优化研究[J ].电网与清洁能源,2021,37(4):122-126.Z HA N GL i n ,G U O H u i ,Y A O L i x i a o .R e s e a r c ho n m i -c r o g r i do p t i m i z a t i o nb a s e do ni m p r o v e db a ta l go r i t h m [J ].P o w e r S y s t e ma n dC l e a nE n e r g y,2021,37(4):122-57Copyright ©博看网. 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![基于BuckBoost变换的串联储能多模式均衡电路[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/835ae7cf0722192e4436f633.png)
