胡 霞，曹文章，戴袁園

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232000)

0 引言

電池模擬器是用來模擬電池充電、放電特性的設(shè)備，儲(chǔ)能技術(shù)是解決可再生能源并網(wǎng)難題的關(guān)鍵技術(shù)，若使用儲(chǔ)能電池原型進(jìn)行研究，一方面采購(gòu)費(fèi)用高，另一方面研究時(shí)電池?fù)p壞研究成本也比較大，所以有必要使用電池模擬器來代替儲(chǔ)能電池原型進(jìn)行研究與試驗(yàn)。目前電池模擬器的不足之處之一為拓?fù)洳蛔?，在不控整流?DC/DC 變流器的拓?fù)淠芰恐荒軉蜗蛄鲃?dòng)，無法雙向流動(dòng)，只能模擬電池的放電工況，無法模擬電池其他工況，故對(duì)可沖可放電池模擬無能為力[1-4]。本文采用電流可逆斬波電路，它是將降壓斬波電路與升壓斬波電路組合在一起，電流可正可負(fù)[5]可以模擬出電池充電放電過程。同時(shí)本文采用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法，這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)[6-7]。與傳統(tǒng)的PI 控制相比，滑?？刂频聂敯粜?、動(dòng)態(tài)性能更好，通過仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了滑膜控制的優(yōu)越性與電池模擬器電流可正可負(fù)的可行性。

1 電池模擬器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電池模擬器電路如圖1 所示，定義V1為電網(wǎng)，V2為電池，D1、D2為二極管，L為電感，C為電容，r為負(fù)載電阻。通過控電容電壓的方式實(shí)現(xiàn)電流雙向流動(dòng)模擬電池的充放電過程。

圖1 電池模擬器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)電容電壓高于電池電壓V2時(shí)，電網(wǎng)V1向電池V2充電，從電路結(jié)構(gòu)上看類似于Buck 電路；當(dāng)設(shè)定V2的電壓高于電容電壓時(shí)，電池V2開始放電，從電路結(jié)構(gòu)上看類似于Boost 電路，因此整個(gè)電路的電流正反向流動(dòng)取決于電容電壓與電池電壓的大小，在工業(yè)設(shè)計(jì)上更容易實(shí)現(xiàn)，且整個(gè)系統(tǒng)為一套控制方法，解決了工業(yè)設(shè)計(jì)上硬切換的問題，真正實(shí)現(xiàn)了電流的正反向流動(dòng)。

1.1 電池模擬器滑模設(shè)計(jì)

文獻(xiàn)[8]提出的電池模擬器方案只能實(shí)現(xiàn)電流單向流動(dòng)，只能單一地模擬出電池放電或者充電，無法滿足測(cè)試電池的各種工況。圖2 所示為本文電池模擬器滑模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 電池模擬器滑模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

從圖2 可以看出，其控制方式與電流電壓雙閉環(huán)控制類似，不同的是三角波信號(hào)為βv1，輸出電壓采集為βvo，PWM 信號(hào)會(huì)根據(jù)三角波的幅值變化而變化，系統(tǒng)的抗干擾能力增強(qiáng)、魯棒性更好，當(dāng)電容電壓大于電池電壓時(shí)，電網(wǎng)的能量流向電池，模擬電池充電過程，VT1與VT2得到的信號(hào)取反，不同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通時(shí)電流經(jīng)過電源正極、VT1、電感、負(fù)載、電源負(fù)極；當(dāng)開關(guān)管VT1關(guān)斷時(shí)，VT2導(dǎo)通電感續(xù)流，電流方向不變。同理電容電壓小于電池電壓時(shí)，電池的能量流向電網(wǎng)，當(dāng)VT1開通時(shí)VT2關(guān)斷，電池與電感的能量經(jīng)過VT1、V1、V2負(fù)極；當(dāng)VT2開通，VT1關(guān)斷時(shí)，V2為電感L充電，電流經(jīng)過負(fù)載電阻r、電感L、VT2、V2負(fù)極，模擬電池放電過程，整個(gè)電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式。

1.2 電池模擬器滑模設(shè)計(jì)算法

文獻(xiàn)[9]中提出設(shè)計(jì)出采用滯環(huán)調(diào)制的滑?？刂疲湓O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，仿真方便，但是對(duì)于實(shí)物實(shí)現(xiàn)較困難，同時(shí)會(huì)使濾波器的設(shè)計(jì)也很困難。文獻(xiàn)[10]提出了的滑模控制方法只引入了電壓誤差狀態(tài)變量，對(duì)于負(fù)載波動(dòng)時(shí)無法做到調(diào)節(jié)穩(wěn)定。本文采用定頻滑?？刂?，使得其工業(yè)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，因?yàn)殚_關(guān)管VT2信號(hào)取反VT1，所以本次設(shè)計(jì)只針對(duì)VT1。由于開關(guān)管只有通與斷，因此控制率u 為1或者0，第一步構(gòu)造合適的滑模面，本次設(shè)計(jì)采用比例積分微分滑模面，如式(1)所示：

選擇電壓誤差x1與電壓誤差對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)x2和電壓誤差對(duì)時(shí)間的積分x3為狀態(tài)變量，得到x1、x2、x3表達(dá)式。

其中，u 代表開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)打開時(shí)u=1，開關(guān)斷開時(shí)u=0。

所以得到了x1、x2、x3對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。

根據(jù)上文提到的3 種狀態(tài)變量，所以本次滑?？刂频那袚Q函數(shù)表達(dá)式為：

其 中，k1、k2、k3為滑模系數(shù)。對(duì)式(6)求導(dǎo)可得得：

將u 等效為連續(xù)值ueq，解式(7)可得：

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)

本文通過MATLAB/Simulink 軟件搭建了電池模擬器的滑?？刂品抡婧蚉I 控制仿真，以此來對(duì)比出滑膜控制的優(yōu)勢(shì)，其中兩個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置相同，誤差狀態(tài)變量根據(jù)式(10)取電容電流Ic、輸出電壓Vo，電壓誤差Vo-Vref，電壓誤差積分，為了減小電壓紋波系統(tǒng)，仿真模型圖如圖3 所示。

圖3 仿真模型圖

模擬電池充電時(shí)，主要參數(shù)如下：仿真時(shí)間為0.02 s，直流電源V1=24 V，電感值為0.16×10-3H，電容值為500×10-6F，頻率為10 kHz，負(fù)載值為20 Ω，k1=-8，k2=200，k3=100，k3調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡時(shí)間，k3越大系統(tǒng)達(dá)到平衡的時(shí)間越快，但是若其值過大，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象，當(dāng)選取負(fù)載為20 Ω 時(shí)，給定輸出電壓為10 V，電池電壓V2=5 V 時(shí)，此時(shí)電網(wǎng)電能向電池V2充電，得到10 V 的電壓波形與0.25 A 的電流波形。相比較于PI 控制，滑?？刂频竭_(dá)平衡點(diǎn)的時(shí)間更短，當(dāng)發(fā)生負(fù)載波動(dòng)時(shí)，滑模控制的恢復(fù)時(shí)間更短，切電流電壓超調(diào)量更低，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 電池充電仿真結(jié)果

由圖4 可以看出，滑?？刂葡碌碾姵啬M器到達(dá)平衡比PI 控制更快，且電壓電流的超調(diào)量更低。同時(shí)，當(dāng)發(fā)生負(fù)載波動(dòng)時(shí)，滑?？刂苹謴?fù)到預(yù)定值的速度比PI控制更快，體現(xiàn)出滑?？刂频聂敯粜院蛣?dòng)態(tài)性能更好。

當(dāng)選取負(fù)載為20 Ω 時(shí)，給定輸出電壓為10 V，電池電壓V2=30 V 時(shí)，得到10 V 的電壓波形與1.5 A 的電流波形。相比較于PI 控制，滑模控制到達(dá)平衡點(diǎn)的時(shí)間更短，當(dāng)發(fā)生負(fù)載波動(dòng)時(shí)，滑?？刂频幕謴?fù)時(shí)間更短，切電流電壓超調(diào)量更低，仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 電池放電仿真結(jié)果

由圖5 可以看出，當(dāng)模擬電池放電時(shí)，滑?？刂频碾姵啬M器電壓電流超調(diào)量比PI 控制要小，當(dāng)負(fù)載發(fā)生波動(dòng)時(shí)滑模控制下的系統(tǒng)達(dá)到平衡的速度更快，相比于PI 控制有著更好的魯棒性與動(dòng)態(tài)性能。

3 結(jié)論

本文分析了電池模擬器的整體結(jié)構(gòu)，提出了新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單一電路電流可雙向流動(dòng)；同時(shí)在傳統(tǒng)的PI 控制的基礎(chǔ)上，提出了一種滑?？刂品椒ǎ敿?xì)地闡述了該控制方案的設(shè)計(jì)思路和實(shí)現(xiàn)方法，提高了系統(tǒng)的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能；并且在仿真軟件MATLAB/Simulink 上建立模型對(duì)比驗(yàn)證了滑膜控制達(dá)到平衡的時(shí)間、電壓電流超調(diào)量、動(dòng)態(tài)性能都要優(yōu)于PI 控制，具有一定實(shí)用與研究?jī)r(jià)值。