多端口电源系统能量管理与控制策略范文

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摘要:基于储能的多端口电源系统主要包括燃料电池、超级电容器储能和两组DC/DC变换器单元，根据系统需求设计了各组成部分的结构功能，分析了系统能量管理方案和储能单元的配置策略。燃料电池单元配备单向DC/DC变换器，采用电压电流双闭环控制为负载和超级电容储能单元提供能量;负载动态变化时，通过储能单元及其双向DC/DC变换器，采用滑模控制和分段PI控制相结合的策略，实现能量的快速传递控制，提高系统的输出稳定性。建立系统仿真模型进行分析，验证了多端口电源系统控制策略的有效性。

关键词:燃料电池;超级电容器储能;多端口电源;能量管理;DC/DC变换器

0引言

多端口电源系统属于复合式发电系统，通常包括分布式电源、DC/DC变换器、储能单元、直流母线以及负载等。DC/DC变换器中，单向DC/DC变换器实现从源侧向负载的能量传递;而双向DC/DC变换器能够根据控制需要，灵活地实现升降压、能量双向传递的功能，应用广泛［1－2］。满足输出电压匹配的同时，通过良好的控制，双向DC/DC变换器能够实现电流均衡、输出高稳定性等功能，常见的分析方法包括状态空间平均法、平均电流模式、环流控制模式和智能控制算法等［3－4］。文献［5］提出一种新的移相均流控制策略，解决传统两相并联DC/DC电路电感电流纹波较大、两相间电流不均衡的问题。文献［6］利用状态空间平均法建立了双向DC/DC变换器的数学模型，并提出一种简单实用的基于变量代换和参数估计的复合校正电流内环、电压外环双闭环控制策略。DC/DC变换器在新能源和多端口系统中的应用越来越多［7］。文献［8］通过隔离的三端口双向DC/DC变换器构建了一个包含燃料电池和储能单元的复合能量系统。本文针对构建的多端口电源系统，设计了系统各单元的结构功能，分析了系统能量管理方案和储能单元的配置策略。通过系统控制，在负载稳定和动态波动的情况下，维持负载的供电稳定;建立系统仿真模型，对多端口电源系统的控制策略进行了有效性验证分析。

1多端口电源系统原理与储能配置

1．1系统原理与能量管理

多端口电源系统主要包括燃料电池、超级电容储能和单向/双向DC/DC变换器三个单元。燃料与氧化剂发生电化学反应，使燃料中的化学能转化为电能，实现燃料电池的发电。这里用的燃料主要是氢气，通常选择以甲烷为主的天然气，再通过燃料重整产生，但是燃料重整的这个化学过程比较缓慢，并且控制气体流量的机械系统也存在一定的滞后问题。所有这些，使得当负荷发生变化时，发电系统要经历一个较长的暂态过程，才能达到新的稳态，来满足供需平衡。为解决燃料电池输出特性偏软、瞬态响应慢的问题，通常采用快速储能单元辅助燃料电池发电系统构建复合发电系统，以便适应负载的变化以提高系统动态响应，储能单元一般采用超级电容器模组来实现。

1．2超级电容储能单元容量配置

实际控制中，燃料电池的控制器通常设计为一阶系统，而其响应速度要比燃料电池慢。

2多端口电源系统结构与控制策略

2．1系统结构原理

多端口电源变换器主电路拓扑，主体结构为两组变流器单元并联供电系统。图3中:燃料电池输出电压ufu，输出电流ifu，跟随一个Boost升压DC/DC斩波电路;储能单元由超级电容器串并联构成超级电容器模组，输出电压usc，输出电流isc，跟随一个双向DC/DC斩波电路;L1、L2为储能电感;S1、S2、S3为全控型电力电子器件，实现回路的通断控制;D1、D2、D3为续流二极管，对应开关管关断时提供相应的电流通路;C为输出滤波电容;RL为负载;uo为负载母线电压;io为负载电流。

2．2控制策略

多端口电源系统具有两个DC/DC变换器，可以独立控制燃料电池和储能单元的输出功率。燃料电池作为整个多端口电源变换器的功率输出源，在本系统的设计中，燃料电池需要向负载母线提供稳定的功率，即在系统稳态时其变换器将提供所有的负载母线输出功率，同时还需要补偿或释放超级电容储能单元的亏损或多余功率(此部分需要超级电容及其DC/DC变换器控制的协同合作)。因此，燃料电池的DC/DC变换器控制必须快速将燃料电池当前产生的能量释放出去，同时需要在负载平稳状态下实现母线输出电压的控制。理想状态下，稳态燃料电池的DC/DC变换器控制负载的电压uo稳定;负载突变时，超级电容器储能单元提供迅速的功率支撑，维持uo稳定。

3仿真验证

在PSIM电力仿真软件中搭建系统仿真模型，对多端口电源系统的控制策略进行仿真分析。仿真系统相关参数如表1所示。其中:ufu为燃料电池的输出电压;usc为超级电容器等效电容的初始电压;输出给定电压设为DC100V;fPWM为功率器件的开关频率;Ts为采样时间。

4结束语

针对基于储能的多端口电源系统，设计了系统结构和能量管理方案，并对超级电容器储能单元进行了容量配置。系统中的两组DC/DC变换器均以电压电流双闭环控制为基础，提出了相应的控制策略，实现了负载电压的稳定控制和能量的快速传递控制。系统仿真分析表明，负载波动时超级电容器单元能够有效调节，维持负载电压稳定，验证了系统控制策略的可行性。

参考文献：

［3］符赞宣，瞿文龙，张旭．平均电流模式DC/DC变换器均流控制方法［J］．清华大学学报(自然科学版)，2003，43(3):337－340．

［4］陆治国，祝万平，刘捷丰，等．一种新型交错并联双向DC/DC变换器［J］．中国电机工程学报，2013，33(12):39－46.

作者：冯兴田1;陶媛媛1;孙添添2 单位：1．中国石油大学(华东)信息与控制工程学院，2．国网山东省电力公司东营供电公司