矿用电动车混合储能系统Z源逆变器电流控制.pdf

工矿自动化 Ind utr ya nd MineAuto ma tio n Vo l . 45 No . 9 Sep.2019 第45卷第9期 2019年9月 文章编号1671-251X201909-0092-07 DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2019040091 矿用电动车混合储能系统B源逆变器电流控制 吴震陈靖党娇 重庆工商职业学院智能制造与汽车学院％重庆400052 扫码移动阅读 摘要针对应用于矿用电动车混合储能系统的传统Z源逆变器或单开关电感Z源逆变器存在电压增 益、功率密度和转换效率均不高的问题，提出了一种新型Z源逆变器％该逆变器采用基于阵列式磁集成技 术的模块化开关耦合电感单元替代传统Z源逆变器的电感，提高功率密度和电压增益，并通过引入辅助软 开关支路实现功率器件零电压开关，提高转换效率％对基于新型Z源逆变器的混合储能系统进行了建模 通过分析极点，发现引起系统振荡的i对共e极点及系统振荡处频率，结合模型进行了电流控制器参数设 计，推导出电流控制器比例和积分参数的设计准则。仿真与实验结果验证了该电流控制器设计准则的正 确性％ 关键词矿用电动车；混合储能系统；Z源逆变器；电流控制；开关耦合电感；阵列式磁集成；软开关 中图分类号TD611 文献标志码 Cur r ent c o ntr o l o f Z-so ur c e inver ter fo r h yb r id ener g y sto r a g e sys tem o f mine-used el ec tr ic veh ic l e WU Zh en, CHENJing , DANG Jia o Institute o f Intel l ig ent Ma nufa c tur ing a nd Auto mo tive, Ch o ng qing Tec h no l o g y a nd Business Institute, Ch o ng qing 400052, Ch ina AbstractAiming a tpr o b l emso fl o wvo l ta g eg a inXl o wpo wer d ensitya nd l o wc o nver sio nefic ienc yo f tr a d itio na l Z-so ur c einver ter o r sing l e-switc h ind uc to r Z-so ur c einver ter used in h yb r id ener g y sto r a g e system o f mine-used el ec tr ic veh ic l e, a no vel Z-so ur c e inver ter wa s pr o po sed . Mo d ul a r switc h c o upl ed ind uc ta nc eunitsb a sed o na r r a yma g netic integ r a tio ntec h no l o g yisused to r epl a c eind uc ta nc eo ftr a d itio na l Z-so ur c einver ter ,so a sto impr o vepo wer d ens itya nd vo l ta g eg a in[Byintr o d uc ing a uxil ia r yso ftswitc h b r a nc h to r ea l izezer o -vo l ta g eswitc h o fpo wer d evic es,c o nver sio nefic ienc yisimpr o ved [Hyb r id ener g y sto r a g esystem b a sed o n th e no vel Z-so ur c e inver ter wa s mo d el ed [Th r o ug h po l e a na l ysis, o ne pa ir o f c o njug a ted po l es c a using th e system to o sc il l a te a nd fr equenc y o f system o sc il l a tio n wer e fo und , c ur r ent c o ntr oler pa r a meter s a r e d esig ned with th e mo d el Xa nd d esig n c r iter ia o f pr o po r tio na l a nd integ r a l pa r a meter so fc ur r entc o ntr oler wer ed er ived .Th esimul a tio na nd exper imenta l r esul tsver ifyc o r r ec tness o fth ed es ig nc r iter ia o fth ec ur r entc o ntr oler . Key words mine-used el ec tr ic veh ic l e; h yb r id ener g y sto r a g e system ； Z-so ur c e inver ter; c ur r ent c o ntr o l _switc h c o upl ed ind uc ta nc e_a r r a yma g netic integ r a tio n_so ftswitc h 收稿日期收稿日期 019-04-25 责任编辑盛男责任编辑盛男。 基金项目基金项目重庆市教委科学技术研究项目KJ1737460；重庆工商职业学院科学研究项目NDYB2018-09。 作者简介作者简介吴震1992 ,男，安徽亳州人，助教，硕士，主要从事电气自动化方向的科研和教学工作,E-ma il870082058qq. c o m。 引用格式引用格式吴震，陈靖，党娇矿用电动车混合储能系统Z源逆变器电流控制*.工矿自动化，2019,4599298. WUZh enCHENJingDANGJia o 8Cur r entc o ntr o l o fZ-s o ur c einver ter fo r h yb r id ener g ys to r a g es ys temo fmine-us ed el ec tr ic veh ic l e [J*. Ind us tr y a nd Mine Auto ma tio n,2019,459 92-98. 2019年第9期吴震等矿用电动车混合储能系统Z源逆变器电流控制・93・ 0引言引言 矿用电动车长期工作于负载变化较大的工况条 件，其动力电池储能系统反复随机出力的情况普遍， 因此需要研究具备高动态响应能力和长寿命的电池 储能系统及变换器装置。很多学者提出利用储能元 件如超级电容、电池等实行辅助功率补偿,组成混 合储能系统，以降低输入电源容量，提高电动车储能 系统动态性能工1 * 3 **。目前，应用于矿用电动车混合储 能系统的变换器多采用双向DC-DC变换器加逆变 器的两级式架构，具有结构简单、易于控制的优点, 但存在转换效率低和可靠性不高等缺点。因此，国 内外很多学者研究将传统Z源逆变器或单开关电 感Z源逆变器应用于混合储能系统，具有单级升降 压、无死区时间、电压畸变小、可靠性高等特点，可同 时实现单级功率变换与能量管理M，但普遍存在电 压增益、功率密度和转换效率均不高的问题,且大多 采用电压控制，很大程度上制约着矿用电动车混合 储能系统暂态响应速度的提高「8「10* - 1. 1 工作原理 利用传统Z源逆变器具备多自由度组合和功 率流重构的特征,将其与传统的逆变器合并演绎,得 到应用于矿用电动车混合储能系统的新型Z源逆 本文提出了一种应用于矿用电动车混合储能系 统的新型Z源逆变器，其采用模块化开关耦合电感 单元和辅助软开关支路，具备高增益、高功率密度和 高效率优势；建立了混合储能系统模型，给出了电流 控制器参数设计准则，并通过仿真与实验验证了设 计准则的正确性。 如图1所示，其中Vin为输入电压,Vpn为直流母线电 压，La，Lb，Lc为逆变器输出滤波电感，Ca，Cb，Cc为 逆变器输出滤波电容，Ra ,Rb ,Rc为电阻性负载。开 关耦合电感单元由3个相同的二极管Di ,D2 ,D3 D4 ,D5 ,D6和2个相同的电感Li ,L2 L3 ,L4 组 成，采用2个对称的开关耦合电感单元替代传统Z 源逆变器的电感，可实现高升压变比。采用阵列式 磁集成技术将2个开关耦合电感单元的4个分立电 感绕组绕制于相同磁柱，如图2所示，图中Yl1 Yl4 分别为电感Li L4的电流，①a和-b分别为正向磁 通和反向磁通。可通过合理选择磁芯规格或调节 1号和3号磁芯的气隙来调节电感耦合度,此外,通 过在1号和3号磁芯中合理设置气隙,可在选择低 成本、高饱和磁密磁芯的情况下,仍能有效避免磁芯 饱和11],提高功率密度。辅助软开关支路由开关管 S1、谐振电感Lr和钳位电容Cd组成,钳位电容Cd 与谐振电感Lr交互工作,可实现开关管S1提前关 断,减小开通损耗12*。逆变器桥臂主开关管S2S7 均采用MOSFET ,且两端分别并联谐振电容C2 C「7,实现所有功率器件零电压开关「13*,提高转换 效率「⑷ 在1个开关周期内，新型Z源逆变器有直通和 非直通2种工作模式。 1直通模式。开关管Si导通,二极管D8正 向导通,此时二极管Di和D3正向导通,二极管D2 1新型新型Z源逆变器源逆变器 反偏截止,电容C1同时给电感L1和L2充电,同时 二极管U和D6正向导通,二极管D5反偏截止,电 C2 同 电 L3 L4 充 电 等 电 路 图3a 所示,其中Vd为输入侧二极管Dm电压。 2非直通模式。开关管S关断,二极管D7 和D9正向导通，此时二极管Di和D3反偏截止，二 变器。其由直流侧单元和交流侧单元两部分组成, 极管D2正向导通，电感Li和L2串联给电容Ci充 Li Di 开关耦合电感单元1 ； ；_鯉数羽遵堡 ；lfTs7 交流侧单元 直流侧单元 开关耦合 ；电感单元2 图1矿用电动车混合储能系统新型Z源逆变器拓扑 Fig 1 A no vel Z-so ur c e inver ter to po l o g y fo r h yb r id ener g y sto r a g e system o f mine-used el ec tr ic veh ic l e 谐振电感Lr ； Cd ・94・ 工矿自动化2019年第45卷 图2基于阵列式磁集成技术的开关耦合电感结构 Fig .2 Str uc tur eo fs witc h c o upl ed ind uc ta nc eb a sed o n a r r a y ma g netic integ r a tio ntec h no l o g y 电，同时二极管U和D6反偏截止，二极管D5正向 导通，电感L3和L4串联给电容C2充电，等效电路 如图3b所示。 L3 T„ a直通模式 b非直通模式 图3新型Z源逆变器稳态工作等效电路 Fig . 3 Stea d y-sta te equiva l ent c ir c uit o f no vel Z-so ur Reinver ter 令Vc i Vc2 Vc，根据基尔霍夫电压定律，可 得新型Z源逆变器直通模式阶段电压方程 Vl1Vl2Vc i 1 VL3 Vl4 Vc2 2 Vd Vc i VC2 3 Vd2 Vd5 Vc 4 式中Vc i ,VC2分别为电容Ci ,C2两端电压；Vl1 Vl4分别为电感Li L4两端电压;Vd2，Vd5分别为二 极管D2 ,D5两端电压。 根据基尔霍夫电压定律，可得开关管S］关断过 程中电感L1的电压方程 VLi-o ff Vl2“ Vc2 Vn ⑸ 式中VL1-Off VL2-o ff分别为开关管S］关断过程中电感 Li , L2两端电压 同理，可得开关管Si关断过程中电感L2的电 压方程 VL2-o ff VLi-o ff Vc2 Vm 6 由于电感Li和L2工作状态完全相同，则 VLi-o ffVl“ K为传递函数Gb i的稳态增益 绝对值;ii 13为 零点；“i “4为传递 点。 2. 2 极点分析 在复平面中分析传递函数Mb i的4个极点位 置，如图8 o 包含1对共辄极点“i 和“2及2个位于实轴上的极点“3和“4 “2 “4 决 统的主要动态特征。联立式15式17, 点 式 “1 . *n 6 *n 槡一. 18 “2 . *n *n 槡. 19 “-1671 4Nbcriddd “3 2RbC 0 式中.和*n分别为共辄极点“1和“2的阻尼比和 自然谐 率。 图8极点位置 Fig .8 Po l esl o c a tio n 根据式17,得到传递函数Gb i的伯德图，如 图9所示，可看出共辄极点“1和“2在频率为P时 会引起较大的尖峰,可能导 统振荡，威 助储 能元件安全。 2. 3 电流控制器设计 新型Z 器电流控制原理如图10所示。 电流控制器 经 PI控制算法，Mpi为电流控 制器 ，/b ef为电流控制器的电 值，Y为电流控制器的电 值。 电 控制器 MPI 统 数Mo penl o o p分别为 45 101 102 103 频率/Hz 21 22 图10电流控制原理 Fig .10 Cur r entRo ntr o l pr inRipl e Mpi kp 1 牛 Mo penl o o p -MpiGb i 式中kpi分别为控制器的比例、积分系数。 统 M0pen100p的伯 图如图11所 示。 控制理论可知，系统 折频率由最靠 近原点 点“3决。由图11可知，当控制器积 分系数人2兀九3九3为极点“3对应的频率时，对 应的系统 G0pen100p以一20 d B/d ec的斜 率穿越0 d B线％ 统 条件，可避免超调 生「12*。因此，电流控制器积分环节设计准则电 流控制器积分系数ki的取值应使积分环节的最小 折频率大于九3 。 、董 图11传递函数 Mo penl o o p 伯德图 Fig . 11 Bo d e d ia g r a m o f tr a nsfer func tio n Go peniOop 外，设计电流控制器参数还需综合 环节和增益裕度。当 穿 率为Pr时，对 I 增益裕度Mr 201o g20kpGrGr为 节的开 ，根据经典控制理论，并结合电动车混 合储能系统的实际工况,Mr的取值应大于6 d B,以 2019年第9期吴震等矿用电动车混合储能系统Z源逆变器电流控制・97・ 抑制在频率/r附近的振荡。 统 G0penl 00p的穿越频率为 / __ W*n /r ss _ _ 2,2,Dst1 DQ10005叫 调整时间为 T _ 3 sr 2,/r o ss 当Mr 6 d B时，穿 率几。ss的上限为 / _ ____. *n______ /up _ 4, ,Dt1 DQ 因此，电流控制器 节设计准则比例系数 Ep的取值 节的穿 率 式23和 式25 o 3 仿真与实验仿真与实验 为验 新型 Z 器 电 控 制 器 计 效性，在Ma tl a b 建立仿真模型。仿真 t 2组电流控制器参数Ep 0. 001 2,Ei i 110,满足电 流控制器设计准则;Ep 0. 000 7 ,1 565 ,不满足电 控制器设计准则。不同电流控制器参 侧 元输出电 跃响应仿真波形如图12 ，可看 出参 计准 ，电 形出现 超调, 而参 计准 ，电 形未出现超调。 图12不同控制器参数下直流侧单元输岀电流 阶跃响应仿真波形 Fig .12 Simul a tio n wa vefo r ms o f DC sid e unit o utput c ur r entstepr espo nseund er d ifer entc o ntr oler pa r a meter s 搭建 混合储能系统的新型Z 器 实验平台，如图13 。实验 2组电流控制器 参数Ep 0. 000 7 ,1 565,不满足电流控制器设计 准则；Ep 0. 001 2,1 110,满足电流控制器设计准 。不同电流控制器参 侧单元输出电 跃响应实验波形如图14所示，可看出参 计准 ，电 形出现 超调，而参 计 准 ，电 形未出现超调。 4结论结论 1新型Z源逆变器采用模块化开关耦合电感 单元设计，提高 率密 电压增益 助软 路，实现 率器件零电压 ，具备高 23 24 25 图13实验平台 7 悭 7 悭 Fig .13 Exper imenta l pl a tfo r m d ia g r a m “控制器参数不满足设计准则 时间/20 ms 格“ b控制器参数满足设计准则 图14不同控制器参数下直流侧单元输岀电流 阶跃响应实验波形 Fig .14 Exper imenta l wa vefo r mso fDCsid eunito utput c ur r entstepr espo nseund er d ifer entc o ntr oler pa r a meter s 效率优势。 2对基于新型Z源逆变器的混合储能系统进 行了建模，通过分析极点发现 统振荡的 1对共辄极点 统振荡处频率，结合模型进行了 电流控制器参 计，给出了电流控制器 节 和积分环节的参 计准则。 参考文献References 1 * EMADI A, WILLIAMSON S S, KHALIGH A. 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