【《功率跟随控制策略仿真模型分析案例》4300字】

[25]。当系统正常工作时，燃料电池与锂电池相互配合，基于保持锂电池SOC在一定范围内的原则，要么燃料电池和锂电池同时工作，要么当SOC低于初始设置范围时，燃料电池既为负载提供所需功率也对锂电池进行充电，直到锂电池SOC达到设置水平。功率平衡关系如下：（4-1）式中，—负载所需功率；—燃料电池通过前端DC/DC变换器的输出功率；—锂电池的充放电功率。系统工作中蓄电池单元所能提供的功率如下：（4-2）（4-3）（4-4）式中，—计算出的锂电池需要输出的功率；—锂电池的额定功率；—分别为锂电池荷电状态的最低值和最高值。1.1拓扑结构模型建立1.1.1DC/DC变换器模型DC/DC变换器的功能是通过控制占空比将直流电转换为另一固定电压或者可调电压的直流电，包括直接直流变流和间接直流变流两种类型。所谓直接变流即指将直流电直接变为另一直流电的方式，间接变流则是在直流变流电路中增加了交流环节，采用变压器实现输入输出之间的隔离，结构见下图4-1所示。图4-1隔离型DC/DC变流电路结构单向DC/DC变换器依据输入端与输出端之间是否存在变压器，分为非隔离型变换器和隔离型变换器REF_Ref68860665\r\h[24]。依据变换器工作特性与组成形式，非隔离型变换器可分为Buck斩波电路、Boost斩波电路、Boost-Buck斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路；隔离型变换器可分为正激电路、反激电路、半桥电路、全桥电路、推挽电路、全波整流和全桥整流。Boost变换电路属于并联型开关变换器，利用电感L储能之后具有升高电压的作用和电容C对输出电压的保持，达到升压的目的。它主要用于开关稳压电源、直流电动机传动和单相功率因数校正方面，其拓扑结构如下图4-2所示。图4-2Boost电路拓扑结构Buck变换电路利用全控器件的开通和关断功能，实现输出电压小于输入电压的目的。它主要运用于开关稳压电源、供电电源、拖动直流电动机或蓄电池负载等场合，其拓扑结构如下图4-3所示。图4-3Buck电路拓扑结构依据前述对PEMFC的分析，需要将多个单电池串联组成电池组向外供电，即单体电池的数量决定了电堆的端电压。从节约成本角度出发，在保证满足系统正常工作的前提下，应尽量减少单体电池的数量。一般情况下，负载的总线需求电压都高于燃料电池组的端电压，因此燃料电池在接入直流总线前必须进行升压，因此只有选用Boost变换器才能满足系统需求。双向DC/DC变换器是在单向DC/DC变换器的基础上，将二极管与开关管进行反并联，保持变换器两端的直流电压极性不变，依据需要改变电流方向，实现能量的双向流动。与单向DC/DC变换器相似，双向DC/DC变换器也可分为隔离型和非隔离型两类。非隔离型双向DC/DC变换器主要为升降压双向DC/DC变换器，电路拓扑结构包括双向全桥型、双向半桥型和双向推挽型。通过双向DC/DC变换器将蓄电池与直流总线相连，由于蓄电池在拓扑结构里可以平衡功率及母线电压，所以在系统能量供应不足时，需要蓄电池及时放电，经过双向DC/DC变换器的升压操作来支撑负载运行；在燃料电池输出功率大于负载所需功率时，多余的能量经双向DC/DC变换器的降压操作给蓄电池充电。由此可见，在系统里蓄电池既是负载消耗能量又是电源提供能量，而双向DC/DC变换器在功率转换中起到了传递能量的媒介作用。如图4-4所示，该双向半桥式变换器拓扑结构简单、成本低廉、电路中开关器件所受的电压电流应力较小、导通损耗较低、效率高。其拓扑结构由高频电感L、反并联二极管D1与D2、滤波电容C、全控型器件T1与T2组成。该双向DC/DC变换器由电压环和电流环控制，依据发电单元的发电功率和负荷需求等情况及时调整工作模式，蓄电池进行能量储存或能量释放，维持直流母线电压保持稳定，减小电压波动，同时也确保了蓄电池自身充放电的安全REF_Ref68860685\r\h[25]。图4-4双向DC/DC变换器拓扑结构1.1.2拓扑结构模型选择目前，双电池系统的拓扑结构分类很多，下图是常见的四类拓扑结构REF_Ref68860640\r\h[26]REF_Ref68860643\r\h[27]。（a）（b）（c）（d）图4-5双电池系统的主要拓扑结构图4-5(a)是较为简单的拓扑结构，锂电池与燃料电池直接相连，经单向DC/DC变换器后直接连接负载，该拓扑下对燃料电池、锂电池的电压与负载所需电压匹配度要求较高。正常工况下，负载侧的母线电压会因实际工作中的各类因素而发生变化，甚至急剧骤变，此时燃料电池和锂电池需要能够快速响应母线的变化，及时调整输出功率，将系统母线电压维持在正常水平，保证系统安全稳定工作。由前述分析可知，燃料电池系统易受外界各种动态因素影响，工作状态不稳定。当负载所需功率发生变化时，经单向DC/DC变换器后输出的电压很难与母线要求电压匹配，所以这类拓扑结构对混合电池系统的控制实现较为困难，系统可靠性低。图4-5(b)所示结构，通过改变输入PWM波的占空比控制单向DC/DC变换器的开通和关断时间，达到调整和稳定燃料电池的输出电压的目的，实现与母线电压的匹配，同时该拓扑还可以通过调整DC/DC变换器的输入输出电流控制锂电池的SOC。但是由于锂电池直接与直流母线相连，对其电压等级要求较严格，必须与负载电压等级相互匹配。由于锂电池的电压等级相较于燃料电池更容易与负载电压等级匹配，因此该结构已经被大量运用。图4-5(c)与图4-5(b)相比，在原拓扑结构的基础上将锂电池与直流总线间增加了一个双向DC/DC变换器，不但能够调整燃料电池的输出功率和电压，而且能单独控制锂电池的SOC,有利于多余能量的回收。图4-5(d)超级电容相较于锂电池具有能量集中、充电时间快等优点，但其放电时间短，无法持续为系统提供能量。但是，将超级电容与锂电池相结合作为系统辅助能源，相辅相成地为系统提供能量，但该结构较为复杂，目前实现较为困难。综上所述，一般的双电池系统主要由燃料电池及其辅机控制系统、级联DC/DC变换器、储能系统以及负载等常用固件组成。本文根据具体要求，选择图4-5(c)所示的拓扑结构，以保证系统稳定高效运行。1.2功率跟随控制策略仿真模型建立在能量跟随管理策略模型中，控制扮演者重要的角色，制定合理有效的参数对系统在不同工况下稳定运行具有重要的意义。控制即比例、积分、微分控制的简称，在工业自动控制的不断更迭中，其是较普遍、历史久远、应用范围广和适应性强的一种基本控制方式，其原理图如下图4-6所示。图4-6PID控制系统原理框图调节控制器是一种线性调节器，它将给定值与实际输出值的偏差的比例（）、积分（）、微分（）通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制，其控制算法的规律为：（4-5）式中，；—比例系数；—积分时间；—微分时间。比例环节：属于有差调节，偏差一旦产生，调节器立即产生调节作用。积分环节：属于无差调节，用于消除静差，提高系统的无差度。微分环节：反映偏差信号的变化速率，加快系统响应时间。通过前述对系统的分析，选取PI控制即可满足控制要求。MATLAB/Simulink仿真平台可直接依据系统的控制要求，对系统进行线性化处理，得到各PI控制器的比例、积分参数，在此不再赘述控制器的各参数设置过程。单向DC/DC变换器工作于恒流模式，首先依据功率跟随策略通过锂电池SOC计算出锂电池输出功率，将混合电池系统的负载需求功率与锂电池输出功率作差得到燃料电池需要输出参考功率。将此功率与总线需求电压相除得到参考电流信号，将燃料电池实际输出电流与参考电流的差值进行处理，计算得到满足控制要求的占空比，将该PWM信号接入单向DC/DC变换器的门极，驱动变换器调整输出燃料电池功率。调节框图如图4-7所示。图4-7单向DC/DC变换器控制框图双向变换器采用电压外环、电流内环的双环控制方式。当负载所需功率较大，燃料电池无法完全独自供给负载时，需要锂电池提供能量，此时双向变换器工作于恒压Boost模式。将初始设置电压与锂电池实时电压进行作差处理并将差值进行运算，将运算结果再与锂电池实时电流进行作差处理并将差值进行运算，经调制得到合适占空比。将该信号输入变换器门极，控制变换器的开通和关断，满足负载所需功率要求。当锂电池处于低荷电状态时，变换器的控制信号与升压时的信号相反，经PWM波处理后作用在降压变换器的驱动模块。DC/DC变换器处于降压稳定输出工作方式，燃料电池需增大输出功率，一方面要保证负载的正常使用，另一方面还要经总线向锂电池充电，维持锂电池的SOC处于合适范围内，双向DC/DC变换器控制框图如下图4-8所示。图4-8双向DC/DC变换器控制框图依据前述对双电池控制系统的分析，基于MATLAB/Simulink仿真平台搭建能量跟随策略系统模型。对模型中的燃料电池和蓄电池的参数设置分别如下图4-9所示。图4-9仿真模型中燃料电池、蓄电池参数设置双电池系统采用变化电阻作为负载，搭建仿真模型如下图4-10所示，同时对系统做出以下要求：（1）负载需求功率一般要小于燃料电池额定功率；（2）控制负载端电压维持在48V；（3）负载所需功率在0~4s内逐渐增大；（4）4s时负载发生急剧变化，所需功率骤降。图4-10功率跟随控制策略系统仿真图1.3功率跟随控制策略仿真结果分析根据控制要求，验证当蓄电池分别处于不同SOC时，燃料电池和蓄电池为维持系统正常运行所执行的能量分配策略的可靠性。（1）高SOC状态将蓄电池初始SOC设置为80%，此时蓄电池的电量充足，将会尽可能对外放电，燃料电池则主要处于低输出功率状态。如图4-11所示，蓄电池持续输出，与燃料电池一起为负载供能。如图4-12所示，即使在4s时负载功率下降，负载端电压也能很快恢复48V并保持稳定，SOC下降速度较快，蓄电池放电电流在要求范围内。图4-11SOC=80%，负载需求功率、燃料电池与蓄电池输出功率图4-12SOC=80%，负载电压、SOC、蓄电池电流变化曲线（2）中SOC状态将蓄电池初始SOC设置为55%，该状态下蓄电池的SOC在一个适当的范围。如图4-13所示，燃料电池的输出功率将与负载功率基本保持在同一水平。如图4-14所示，端电压保持在48V，蓄电池有少部分输出，主要用来补偿线路损耗。图4-13SOC=55%，负载需求功率、燃料电池与蓄电池输出功率图4-14SOC=80%，负载电压、SOC、蓄电池电流变化曲线（3）低SOC状态将蓄电池初始SOC设置为20%，此时蓄电池将始终处于充电状态，燃料电池的输出功率除了维持负载和线路的功率消耗，还要给蓄电池进行充电，如图4-