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摘要:基于儲能的多端口電源系統主要包括燃料電池、超級電容器儲能和兩組DC/DC變換器單元，根據系統需求設計了各組成部分的結構功能，分析了系統能量管理方案和儲能單元的配置策略。燃料電池單元配備單向DC/DC變換器，采用電壓電流雙閉環控制為負載和超級電容儲能單元提供能量;負載動態變化時，通過儲能單元及其雙向DC/DC變換器，采用滑?？刂坪头侄蜳I控制相結合的策略，實現能量的快速傳遞控制，提高系統的輸出穩定性。建立系統仿真模型進行分析，驗證了多端口電源系統控制策略的有效性。

關鍵詞:燃料電池;超級電容器儲能;多端口電源;能量管理;DC/DC變換器

0引言

多端口電源系統屬于復合式發電系統，通常包括分布式電源、DC/DC變換器、儲能單元、直流母線以及負載等。DC/DC變換器中，單向DC/DC變換器實現從源側向負載的能量傳遞;而雙向DC/DC變換器能夠根據控制需要，靈活地實現升降壓、能量雙向傳遞的功能，應用廣泛［1－2］。滿足輸出電壓匹配的同時，通過良好的控制，雙向DC/DC變換器能夠實現電流均衡、輸出高穩定性等功能，常見的分析方法包括狀態空間平均法、平均電流模式、環流控制模式和智能控制算法等［3－4］。文獻［5］提出一種新的移相均流控制策略，解決傳統兩相并聯DC/DC電路電感電流紋波較大、兩相間電流不均衡的問題。文獻［6］利用狀態空間平均法建立了雙向DC/DC變換器的數學模型，并提出一種簡單實用的基于變量代換和參數估計的復合校正電流內環、電壓外環雙閉環控制策略。DC/DC變換器在新能源和多端口系統中的應用越來越多［7］。文獻［8］通過隔離的三端口雙向DC/DC變換器構建了一個包含燃料電池和儲能單元的復合能量系統。本文針對構建的多端口電源系統，設計了系統各單元的結構功能，分析了系統能量管理方案和儲能單元的配置策略。通過系統控制，在負載穩定和動態波動的情況下，維持負載的供電穩定;建立系統仿真模型，對多端口電源系統的控制策略進行了有效性驗證分析。

1多端口電源系統原理與儲能配置

1．1系統原理與能量管理

多端口電源系統主要包括燃料電池、超級電容儲能和單向/雙向DC/DC變換器三個單元。燃料與氧化劑發生電化學反應，使燃料中的化學能轉化為電能，實現燃料電池的發電。這里用的燃料主要是氫氣，通常選擇以甲烷為主的天然氣，再通過燃料重整產生，但是燃料重整的這個化學過程比較緩慢，并且控制氣體流量的機械系統也存在一定的滯后問題。所有這些，使得當負荷發生變化時，發電系統要經歷一個較長的暫態過程，才能達到新的穩態，來滿足供需平衡。為解決燃料電池輸出特性偏軟、瞬態響應慢的問題，通常采用快速儲能單元輔助燃料電池發電系統構建復合發電系統，以便適應負載的變化以提高系統動態響應，儲能單元一般采用超級電容器模組來實現。

1．2超級電容儲能單元容量配置

實際控制中，燃料電池的控制器通常設計為一階系統，而其響應速度要比燃料電池慢。

2多端口電源系統結構與控制策略

2．1系統結構原理

多端口電源變換器主電路拓撲，主體結構為兩組變流器單元并聯供電系統。圖3中:燃料電池輸出電壓ufu，輸出電流ifu，跟隨一個Boost升壓DC/DC斬波電路;儲能單元由超級電容器串并聯構成超級電容器模組，輸出電壓usc，輸出電流isc，跟隨一個雙向DC/DC斬波電路;L1、L2為儲能電感;S1、S2、S3為全控型電力電子器件，實現回路的通斷控制;D1、D2、D3為續流二極管，對應開關管關斷時提供相應的電流通路;C為輸出濾波電容;RL為負載;uo為負載母線電壓;io為負載電流。

2．2控制策略

多端口電源系統具有兩個DC/DC變換器，可以獨立控制燃料電池和儲能單元的輸出功率。燃料電池作為整個多端口電源變換器的功率輸出源，在本系統的設計中，燃料電池需要向負載母線提供穩定的功率，即在系統穩態時其變換器將提供所有的負載母線輸出功率，同時還需要補償或釋放超級電容儲能單元的虧損或多余功率(此部分需要超級電容及其DC/DC變換器控制的協同合作)。因此，燃料電池的DC/DC變換器控制必須快速將燃料電池當前產生的能量釋放出去，同時需要在負載平穩狀態下實現母線輸出電壓的控制。理想狀態下，穩態燃料電池的DC/DC變換器控制負載的電壓uo穩定;負載突變時，超級電容器儲能單元提供迅速的功率支撐，維持uo穩定。

3仿真驗證

在PSIM電力仿真軟件中搭建系統仿真模型，對多端口電源系統的控制策略進行仿真分析。仿真系統相關參數如表1所示。其中:ufu為燃料電池的輸出電壓;usc為超級電容器等效電容的初始電壓;輸出給定電壓設為DC100V;fPWM為功率器件的開關頻率;Ts為采樣時間。

4結束語

針對基于儲能的多端口電源系統，設計了系統結構和能量管理方案，并對超級電容器儲能單元進行了容量配置。系統中的兩組DC/DC變換器均以電壓電流雙閉環控制為基礎，提出了相應的控制策略，實現了負載電壓的穩定控制和能量的快速傳遞控制。系統仿真分析表明，負載波動時超級電容器單元能夠有效調節，維持負載電壓穩定，驗證了系統控制策略的可行性。

參考文獻：

［3］符贊宣，瞿文龍，張旭．平均電流模式DC/DC變換器均流控制方法［J］．清華大學學報(自然科學版)，2003，43(3):337－340．

［4］陸治國，祝萬平，劉捷豐，等．一種新型交錯并聯雙向DC/DC變換器［J］．中國電機工程學報，2013，33(12):39－46.

作者：馮興田1;陶媛媛1;孫添添2 單位：1．中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，2．國網山東省電力公司東營供電公司