清华大学肖曦教授团队：波浪能发电储能系统双向DC/DC变换器自适应PI控制策略 | 电气工程学报专栏文章推荐

电能革新 · 公众号 · · 2025-02-26 18:07

正文

本文为清华 大学肖曦教授团队 发表在《电气工程学报》2024年第19卷第4期 “新型储能规模化运营与优化控制技术” 专栏中的原创论文，题为 “ 波浪能发电储能系统双向DC/DC变换器自适应PI控制策略 ” ，论文作者：王杰, 郭有贵, 黄宣睿, 肖曦, 朱轩毅。感兴趣的朋友们可以扫描下方二维码或点击“阅读原文”免费获取全文。

引用本文

王杰, 郭有贵, 黄宣睿, 肖曦, 朱轩毅. 波浪能发电储能系统双向DC/DC变换器自适应PI控制策略[J]. 电气工程学报, 2024, 19(4): 99-107.

WANG Jie, GUO Yougui, HUANG Xuanrui, XIAO Xi, ZHU Xuanyi. Bidirectional DC/DC Converter Adaptive PI Control Strategy for Wave Energy Generation and Energy Storage System[J]. Journal of Electrical Engineering, 2024, 19(4): 99-107. DOI: 10.11985/2024.04.009

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研究亮点

本文提出一种电压电流环自适应PI控制方法，旨在解决波浪能发电系统中储能系统双向DC/DC变换器在输入端电压波动情况下的控制问题。传统PI控制策略在面对输入端电压变化时，容易受到电压波动影响，导致控制效果衰减，而自适应PI控制方法通过动态调整控制参数，有效平抑了直流母线电压波动，确保系统稳定运行。

通过建立超级电容双向DC/DC变换器的小信号模型，并推导出系统在传统PI控制下的传递函数，分析了零极点图，揭示了参数摄动对系统的影响。基于这一分析，提出了自适应PI控制方程，并给出了控制器参数的整定规则，进一步提高了系统对输入端电压变化的鲁棒性。

最后，实验平台验证了该方法在大范围输入电压变化条件下的可行性与有效性，表明该控制策略在波浪能等可再生能源储能系统中具有广泛的应用前景。

研究背景

近年来，随着可再生能源技术的迅猛发展，波浪能发电作为一种潜力巨大的能源形式，逐渐受到广泛关注。尽管我国已经成功研发了兆瓦级漂浮式波浪能发电系统，并实现了试运行，但在实现更大功率等级的系统并网运行方面仍面临诸多挑战。波浪能发电系统的功率波动特性，尤其是短时间尺度的功率波动，要求必须采用高效的储能技术来平抑这种波动。

超级电容因其快速充放电特性和较长的循环寿命，成为了混合储能系统中的重要组成部分。针对超级电容在波浪能发电系统中的应用，尤其是在输入端电压大范围变化时的控制策略及电压波动的鲁棒性问题，现有研究多集中于通过优化控制策略提升系统的动态性能。然而，现有研究仍存在控制策略不够完善，尤其是在超级电容电压大范围波动时响应不理想等问题。

因此，本文旨在提出一种适应超级电容电压变化的双向DC/DC变换器控制策略，以提升波浪能发电系统在宽电压范围内的稳定性和性能，从而推动波浪能发电技术的进一步发展和实际应用。

研究方法

为验证 输入端电压大范围变化时电流环的跟踪响应情况 ，设计了超级电容稳压母线时电压上升与下降两种情况，此时实验装置只接入超级电容双向DC/DC变换器与输出模块，以输出模块模拟0~800W正弦功率波动，同时考虑到超级电容电压特性，设定其电压最低阈值50V。

图1 双向DC/DC变换器控制策略实验验证平台

图2 实验装置对应拓扑结构图

为验证 混合储能系统平抑母线电压波动时电压环的鲁棒性 ，设计了混合储能系统（超级电容与蓄电池）进行功率分配实验，将实验装置如图3所示拓扑搭建，由前端电机模块模拟波浪能发电装置。

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