隔离三端口电能路由变换器的模式切换控制策略

赵君力，胡开伟，谢孟，施晓勇，杜娟，游江

1. 北京机电工程研究所，北京 100083

2. 哈尔滨工程大学 智能科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001

由于通过端口间的协调控制，隔离型多端口变换器能够灵活地对所接入的多路电源或负载进行同时处理，具有适于高频化、易于实现软开关运行等特点，并且由于具有电气隔离能够实现多源跨电压等级的电能传输等优点，在拓扑结构和功能上具有天然的能量路由器特性，近年来在可再生能源发电、直流微电网、运载器电源系统等领域受到广泛的关注[1-8]。针对采用隔离型多端口变换器作为能量路由器，文献[9]以微电网为背景，提出了针对隔离型多端口变换器的回旋器大信号建模方法，通过仿真验证了模型的正确性；文献[10]研究了具有能量路由特性的基于隔离型四端口变换器的电力电子变压器，可以实现不同电压等级的配电母线之间的功率灵活传输；文献[11]以多电飞机配电系统为背景研究了利用四端口变换器在同时整合燃料电池单元、储能系统以及超级电容，组成了智能化的供配电系统的分析和控制问题；文献[12]研究了基于四端口变换器的电动汽车混合储能系统，充分考虑了各个端口间的功率传递关系，提出了一种针对车载混合能源存储系统的能量管理机制，解决了运载车辆综合能量管理问题；文献[13]研究了隔离型三端口变换器在端口额定电压与实际电压不匹配时无功回流功率较大、软开关范围较小的问题，提出了一种以最小无功为目标的效率优化控制策略，有效抑制了三端口变换器回流功率，并在较宽范围内实现了软开关。

本文针对拟应用于独立电源系统的三端口能量路由器，提出一种电能路由器控制策略，可根据储能电池和主电源所处的运行状态和系统的实际需求，柔性切换三端口能量路由器的工作模式。例如，在主电源功率充足时可同时供给负载和为储能电池充电；当主电源功率不足时，可将储能电池由充电或闲置状态转入放电状态，作为主电源的补充等。并在模式切换的动态过程中，保证负载端口的电压稳定。

1 三端口能量路由器及其工作模式

隔离三端口能量路由器的拓扑结构如图1 所示，其中PS 为主电源端口，ESS 为储能电池端口，LD 为负载端口，Lr1、Lr2、Lr3为各绕组串联电感，各个端口间通过高频变压器绕耦合。各端口变换器桥臂上管和下管互补导通，占空比均为0.5，且2 个桥臂之间的移相角被固定为180°，则图1 中所示的桥臂中点电压v1、v2和v3均为标准方波。将端口2 和端口3 折算到端口1，可将图1 化为如图2 所示的Δ 型简化电路。图中、、和分别为端口2 和端口3 折算到端口1 的桥臂中点电压；P1、P2和P3分别为3 个端口的功率。以端口1 为参考，端口1 和端口2、端口1 和端口3 之间的移相角分别为ϕ12和ϕ13，和之间的移相角为ϕ23，电能由相位超前端口传递到相位滞后端口。

图1 三端口电能路由变换器拓扑

图2 三端口电能路由器的简化电路模型

图2 中等效电感L12、L13和L23的表达式为

通过控制端口变换器桥臂中点电压超前或滞后的关系，可以实现三端口变换器任意2 个端口之间的电能传递，存在多种电能传输模式。在本文所讨论的框架下，端口1 配置的主电源只输出电能，端口2 的负载只消耗电能，且根据实际应用需求，可定义如图3 所示的4 种工作模式Modex（x=1，2，3，4）。图3 中Mode1 表示主电源端口PS 为负载端口（load，LD）供电的同时为储能电池（energy storage source，ESS）充电；Mode2表示主电源系统处于热备用状态，此时为负载供电的任务由储能电池ESS 单独承担；Mode3 表示此时储能电池处于热备闲置状态，为负载供电任务由主电源（power source，PS）单独承担；Mode4表示当负载过重时，或主电源功率不足时由主电源PS 和储能电池ESS 共同为负载供电，此时储能电池ESS 可按一定比例承担负载功率。根据实际运行需求和外部条件，上述4 种工作模式可以任意切换，如3 图中的双向箭头所示。

图3 三端口电能路由的典型工作模式及切换

2 三端口电能路由器的控制策略

在图1 所示的隔离三端口电能路由变换器系统中，可以选择任意2 个端口的电压或者电流变量作为被控量，在以主电源端口1 的变换器桥臂中点电压v1相位为参考的条件下，通过调节端口间移相角ϕ12和ϕ13的大小就可实现对端口变量的控制。独立电源系统整体上要求控制负载端口的电压始终保持恒定，并且要求在图3 所示的模式切换过程中保持负载端口电压始终保持稳定，且没有明显的暂态波动，结合图3 所示的4 种工作模式可归纳出如表1 所示的各种工作模式下的控制需求。

表1 4 种工作模式对应的控制需求

因此根据表1，在变换器的控制策略设计中考虑通过调节负载端口2 和主电源端口1 之间的移相角ϕ12控制负载端口电压vd2恒定。而通过调节储能电池端口3 和主电源端口1 之间的移相角ϕ13来控制不同模式下的主电源端口电流id1或者储能电池端口的电流id3。因此需建立3 个控制系统传递函数，即ϕ13到主电源端口电流id1的传递函数G1、ϕ13到储能电池端口电流id3的传递函数G2以及ϕ12到负载端口电压vd2的传递函数G3。

根据图2 所示的功率流图，可得端口功率关系如下：

式中端口间功率P12、P13和P23为[14]

式中fs为开关频率。将式（3）代入式（2）并整理可得端口1、端口2 和端口3 的平均电流为

式中ϕ120和ϕ130代表稳态工作点的控制量。令对ϕ12求偏导，并考虑对负载端口2 输出电压vd2之间的传递函数关系，可得：

在获得上述3 个传递函数的基础上可采用解耦控制策略分别控制系统[15]，其中针对G1的端口1电流控制仅在Mode2 中有效，针对G2的端口3 电流控制在Mode1、Mode3 和Mode4 中是有效的，而针对G3的负载端口2 电压控制在4 种运行模式中都是有效的。

参考图3 和表1，可知模式切换的实质是对ϕ13的被控量进行调整（以ϕ13控制id1，或者以ϕ13控制id3进行）；或者不改变被控量本身，而仅对被控量的大小进行调整。将仅对被控量大小和极性进行调整定义为可直接切换（direct switch，DS），反之若模式切换伴随对被控量进行更改，则将其定义为非直接切换（not direct switch，NDS），根据这一原则可归纳得到表2 所示的关系。对于表2 中所示的非直切换模式，需要设计必要的过渡控制，以实现模式间的柔性切换。以Mode1 向Mode2 切换为例，在Mode1 中，主电源供给负载的同时为储能电池充电，充电电流id3需被控制在安全的设定值上，在向Mode2 过渡的过程中，需先调节ϕ13将id3控制为零，并将此时的ϕ13作为id1控制器的初值，用于将id1控制为0，而实现模式间的柔性切换。对其他非直接切换模式的处理与此类似。

表2 各运行模式之间的切换关系

综上所述，给出三端口电能路由器的总体控制结构示意如图4 所示。图4 中对储能电池端口电压vd3的控制是为了将充电电压限制在允许的最高电压vd3max以内，保证电池的安全并实现恒压充电。

图4 三端口电能路由器总体控制结构示意

3 仿真及实验验证

分别搭建仿真模型和硬件电路对控制策略进行验证，主要参数如表3 所示。图5 所示为Mode2 切换为Mode4 的仿真结果，图6 为实验波形，这2 种模式之间的切换不存在变量的更换（控制变量可始终为主电源电流id1），因此为直接切换。可见初始时主电源处于热备状态，其输出电流为0。转换为模式4 时，主电源电流增加而储能电池电流下降，达到稳态时主电源与储能电池共同为负载供电。

表3 系统主要参数

图5 Mode2向Mode4切换的仿真波形

图6 Mode2 向Mode4 切换的实验波形

图7 和图8 分别为Mode3 向Mode2 切换的仿真和实验波形，由于伴随有控制变量的更换（由id3变化为id1），因而为非直接切换。初始主电源单独向负载供电，储能电池处于热备份状态（储能电池输出电流为0）。转换为Mode2 时，主电源进入热备状态，输出电流为0，由储能电池替换主电源独立为负载供电。

图7 Mode3 向Mode2 切换的仿真曲线

图8 Mode3 向Mode2 切换的实验波形

图9 和图10 分别为Mode4 向Mode2 切换的仿真和实验波形，该切换为可以直接进行切换的情况。在初始的Mode4，主电源和储能电池按一定比例配合共同为负载供电。切换为Mode2 时，控制主电源输出电流为零进入热备状态，储能电池承担所有的负载功率。

图9 Mode4向Mode2切换的仿真波形

图10 Mode 4 向Mode 2 切换的实验波形

4 结论

本文对隔离三端口电能路由器多工作模式之间的柔性切换进行了研究，根据各工作模式之间切换是否伴随端口控制变量的变化，将工作模式切换划分为直接和非直接切换。为了实现不同工作模式之间的柔性切换，针对非直接切换提出需设计必要的过渡控制进行桥接的策略，并通过仿真和实验验证了控制策略的正确性和有效性。