CN104201786B - 基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法，主要应用于城市轨道交通车辆的节能。所述储能系统包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块、第二超级电容组模块、中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，采用五个控制器协调控制，实现对整个储能系统的控制。本发明克服了低压储能元件在高压牵引网应用的制动能量可靠吸收与释放控制、模块串联均压控制的问题，高效利用车辆制动能量来实现节能减排。

Description

基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法

技术领域

本发明属于城市轨道交通车辆节能技术领域，特别涉及了基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法。

背景技术

当前城市轨道交通车辆的再生制动方案主要分为耗散式、能馈式和储能式三种，其中耗散式制动是将再生制动能量用电阻以热能的形式消耗掉，并未对再生的电能加以利用，不符合节能降耗的目的。能馈式再生制动能量吸收方式是通过逆变装置将能量回馈至交流电网供其它用电设备使用，可以减少机车制动电阻，减少地铁隧道温升并减少通风设备的能耗，但是需要新建具有能量回馈功能的供电系统或对整个变电供电系统进行改造，成本较高。

储能式再生制动能量吸收方式采用储能元件吸收多余的再生制动能量，可以抑制直流电网电压的升高；储存的能量在车辆加速启动时释放，可以给电网提供电压支撑，防止电网电压跌幅过大，同时吸收的能量得到了有效利用。超级电容的功率密度非常高，且能量密度也较高，充放电持续时间在零点几秒至数十秒之间，很适合用于电压跌落补偿和能量制动吸收场合。

当前超级电容储能系统主要用于750V及以下电压等级接触网，我国城市轨道交通直流接触网系统已广泛采用1500V直流网，用于750V及以下电压等级系统的超级电容储能技术难以用于1500V及以上电压等级系统。对于1500V及以上的供电系统，可以采用串联双向DC/DC变换器进行高压侧分压以降低单模块的电压应力。采用串联双向变换器储能电路拓扑，一方面要实现车辆制动能量的有效吸收和利用，同时还要控制各模块的输入电压保持均衡以保证系统的安全运行，这对整个系统的控制提出了较高的要求。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的技术问题，本发明旨在提供基于串联双向变换器的储能系统及其控制方法，克服低压储能元件在高压牵引网应用的制动能量可靠吸收与释放控制、模块串联均压控制的问题，高效利用车辆制动能量来实现节能减排。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

基于串联双向变换器的储能系统，包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块和第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器的低压侧连接第一超级电容组模块，第二双向DC/DC变换器的低压侧连接第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的高压侧均包含第一端和第二端，牵引网经储能系统网侧接口电路分别连接第一双向DC/DC变换器的第一端和第二双向DC/DC变换器的第二端，第一双向DC/DC变换器的第二端连接第二双向DC/DC变换器的第一端；该储能系统还包含中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，所述中央控制器分别与辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器进行数据交互，所述中央控制器采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流以及第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压、低压侧电压和输出电感电流并对这些信号进行监测，中央控制器根据采集信号和监测信号产生控制信号，并将控制信号传送给辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，从而控制整个储能系统的工作状态，所述辅助控制器分别采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流的硬件保护信号和开关触点信号以及第一、第二双向DC/DC变换器的电压、电流和温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，辅助控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的状态，所述第一超级电容组均衡控制器采集第一超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第一超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第一超级电容组模块的状态，所述第二超级电容组均衡控制器采集第二超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第二超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第二超级电容组模块的状态，所述综合显示控制器接收并显示中央控制器传来的控制信号和状态信号。

其中，上述中央控制器采用DSP处理器。

其中，上述辅助控制器采用FPGA。

本发明还包含基于上述储能系统的控制方法，若第一、第二超级电容组模块的端电压在预定范围内，当网侧电压上升至设定的上限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于降压模式，储能系统吸收能量，抑制网侧电压的上升，当网侧电压下降至设定的下限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于升压模式，储能系统释放能量，抑制网侧电压的跌落，当网侧电压在设定的上限值和下限值之间时，储能系统工作于待机模式，储能系统无能量流动，维持网侧电压不变；若第一、第二超级电容组模块的端电压超出预定范围，储能系统工作于待机模式。

本发明还包含基于上述储能系统的控制方法，对第一、第二双向DC/DC变换器采用高压侧均压环与电流环的双环控制，当储能系统处于储能或释能状态时，高压侧均压环控制第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压均等，电流环根据储能系统运行状态控制指令控制第一、第二双向DC/DC变换器充/放电电流的大小。

采用上述技术方案带来的有益效果是：

本发明的储能系统在高压牵引网和低压储能元件——超级电容之间增加串联双向DC/DC变换器，在其高压侧分压，从而降低超级电容的电压应力。本发明采用五个控制器协调控制，结合系统运行状态控制方法，实现对整个储能系统的控制以及制动能量的可靠吸收与释放的控制。本发明还对串联双向DC/DC变换器采用高压侧均压环与电流环的双环控制，使各模块的输入电压保持均衡，从而保证储能系统的安全运行。

附图说明

图1是本发明的基于串联双向变换器的储能系统的结构框图。

图2是本发明中储能系统网侧接口电路的电路图。

图3是本发明中第一双向DC/DC变换器的电路图。

图4是本发明中第一超级电容组模块的电路图。

图5是本发明的各控制器的功能示意图。

图6是本发明的储能系统运行状态转换图。

图7是本发明的储能系统运行状态控制框图。

图8是本发明的能量回收与释放控制框图。

图中主要标号说明：1、牵引网；2、储能系统网侧接口电路；3、第一双向DC/DC变换器；4、第二双向DC/DC变换器；5、第一超级电容组模块；6、第二超级电容组模块；7、辅助控制器；8、中央控制器；9、综合显示控制器；10、第一超级电容组均衡控制器；11、第二超级电容组均衡控制器。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示本发明的基于串联双向变换器的储能系统的结构框图，包含储能系统网侧接口电路2、第一双向DC/DC变换器3、第二双向DC/DC变换器4、第一超级电容组模块5和第二超级电容组模块6，所述第一双向DC/DC变换器3的低压侧连接第一超级电容组模块5，第二双向DC/DC变换器4的低压侧连接第二超级电容组模块6，所述第一双向DC/DC变换器3和第二双向DC/DC变换器4的高压侧均包含第一端和第二端，牵引网1经储能系统网侧接口电路2分别连接第一双向DC/DC变换器3的第一端和第二双向DC/DC变换器4的第二端，第一双向DC/DC变换器3的第二端连接第二双向DC/DC变换器4的第一端。该储能系统还包含中央控制器8、辅助控制器7、综合显示控制器9、第一超级电容组均衡控制器10和第二超级电容组均衡控制器11。在本实施例中，中央控制器采用DSP处理器，辅助控制器采用FPGA。

如图2所示本发明中储能系统网侧接口电路的电路图，所述储能系统网侧接口电路2包括高压隔离开关SW1、断路器QF、主接触器KM1、预充电接触器KM2、放电接触器KM3、预充/放电电阻R1以及电抗器L₀，高压隔离开关SW1包含第一触点和第二触点，牵引网的正极依次串联SW1的第一触点、断路器QF、主接触器KM1以及电抗器L₀， QF与KM1的公共端经依次串联的充电接触器KM2和充/放电电阻R1与KM1与L₀的公共端连接，KM2与R1的公共端经依次串联的放电接触器KM3和SW1的第一触点与牵引网的负极连接。储能系统在启动前要闭合SW1，用户给出运行命令后，储能系统若无故障发生则进入启动状态，首先闭合预充电接触器KM2，随后闭合断路器QF，在完成给电容C1充电后，闭合主接触器KM1同时断开预充电接触器KM2，网侧接口电路完成与牵引网的连接。在停机和故障时首先断开断路器QF，随后断开主接触器KM1，网侧接口电路实现与牵引网的分离。在检修条件下，闭合放电接触器KM3，待电容C1放电完毕断开KM3进入检修状态。

如图3所示本发明中第一双向DC/DC变换器的电路图，所述第一双向DC/DC变换器3采用传统的双向升降压DC-DC变换器，包含高压侧电容C₁、低压侧电容C₂、第一～第六开关管S₁～S₆，第一～第三桥臂电感L₁～L₃，第一开关管S₁与第二开关管S₂构成第一桥臂，第三开关管S₃与第四开关管S₄构成第二桥臂，第五开关管S₅与第六开关管S₆构成第三桥臂，S₁、S₃、S₅的集电极相连，S₂、S₄、S₆的发射极相连，高压侧电容C₁的一端连接第一开关管S₁的集电极，另一端连接第二开关管S₂的发射极，第一、第二、第三桥臂的中点分别经第一、第二、第三桥臂电感与低压侧电容C₂的同一端连接，C₂的另一端连接第二开关管S₂的发射极。第二双向DC/DC变换器4的结构与第一双向DC/DC变换器3的结构相同。

如图4所示本发明中第一超级电容组模块的电路图，它包含为第一超级电容组侧的隔离开关SW2、主直流继电器KM4、预充电直流继电器KM5、放电直流继电器KM6、预充电电阻R2、放电电阻R3和第一超级电容组Csc1，SW2包含第一触点和第二触点，第一超级电容组Csc1的正端经主直流继电器KM4与SW2的第一触点相连，Csc1的负端连接SW2的第二触点，Csc1与KM4的公共端经依次串联的预充电电阻R2和预充电直流继电器KM5与KM4与SW2的公共端连接，Csc1与KM4的公共端经依次串联的放电直流继电器KM6和放电电阻R3与SW2的第二触点连接。第二超级电容组模块6的结构与第一超级电容组模块5的结构相同。在系统启动前第一超级电容组模块5和第二超级电容组模块6的隔离开关SW2闭合，系统启动时首先闭合预充电继电器KM5，在电容C2充电完毕后，闭合主继电器KM4，随后断开预充电继电器KM5，超级电容组接口电路启动完毕。停机时超级电容组接口电路保持原状态。系统检修时，闭合放电继电器KM6，待超级电容组Csc1放电完毕断开KM6进入检修状态。

如图5所示本发明的各控制器的功能示意图，首先中央控制器为整个控制系统的控制核心，实现系统运行状态的转换、能量控制策略的实现及变换器控制策略的实现，同时实现与其他四个控制器的控制参数与系统状态的传递。中央控制器8的控制功能划分为四部分：状态采集、状态监测、状态控制及通讯。中央控制器8的状态采集功能实现对储能系统网侧接口电路2的牵引网电压、电流值以及双向DC/DC变换器3和4的电压、电流值的采样。中央控制器8的状态监测功能是对上述采集信号进行监测。状态控制功能根据状态采集的信息、状态监测的信息及其他控制器发送的信息对整个系统进行控制。中央控制器8的通讯功能实现：与辅助控制器7通过8位数据/地址总线进行数据传输，传输内容包括开关触点信号、PWM调制信号、开关控制信号；与均衡控制器10和11通过CAN总线进行数据传输，传输的内容包括超级电容组1和超级电容组2的电压、温度、继电器开关状态、继电器控制命令、运行状态等信息；与综合显示控制器通过串行通讯接口SCI模块进行数据传输，传输内容包括电压、电流采样值、温度值、运行状态、开关信号、控制命令、查询命令、参数修改命令等信息。辅助控制器7的控制功能亦划分为四部分：状态采集、状态监测、状态控制及通讯。辅助控制器7的状态采集功能实现对储能系统网侧接口电路2的牵引网电压、电流硬件保护信号、开关触点信号的采集，同时对双向DC-DC变换器3和4的电压、电流、温度硬件保护信号进行采集。辅助控制器7的状态监测功能是对上述采集信号进行监测。辅助控制器7的状态控制功能根据状态采集的信息、状态监测的信息及中央控制器8传输来的信息经处理后实现对储能系统网侧接口电路2、双向DC-DC变换器3和4的直接控制。辅助控制器7的通讯功能实现与中央控制器8的数据传输，传输内容包括开关触点信号、脉冲宽度调制（PWM）信号、开关控制信号。第一超级电容组均衡控制器10的控制功能划分为四部分：状态采集、状态监测、状态控制及通讯。第一超级电容组均衡控制器10的状态采集功能实现对第一超级电容组模块5的超级电容端电压、均衡电流及单体电压、温度保护信号的采集。第一超级电容组均衡控制器10的状态监测功能实现对上述采集信号的监测。第一超级电容组均衡控制器10的状态控制功能实现对均衡电路启/停的控制以及接口电路开关通断的控制。第一超级电容组均衡控制器10的通讯功能实现与中央控制器8的数据传输，传输内容包括第一超级电容组模块5的电压、温度、继电器开关状态、继电器控制命令、运行状态等信息。第二超级电容组均衡控制器11的控制功能划分为四部分：状态采集、状态监测、状态控制及通讯。第二超级电容组均衡控制器11的状态采集功能实现对第二超级电容组模块6的超级电容端电压、均衡电流及单体电压、温度保护信号的采集。第二超级电容组均衡控制器11的状态监测功能实现对上述采集信号的监测。第二超级电容组均衡控制器11的状态控制功能实现对均衡电路启/停的控制以及接口电路开关通断的控制。第二超级电容组均衡控制器11的通讯功能实现与中央控制器8的数据传输，传输内容包括第一超级电容模块组6的电压、温度、继电器开关状态、继电器控制命令、运行状态等信息。综合显示控制器9只具有通讯功能，实现与中央控制器8的信息传输，主要实现控制命令、查询命令、参数修改命令的下发与储能系统各电压、电流采样值、温度值、运行状态、开关信号的接收与显示。

如图6所示本发明的储能系统运行状态转换图，在停机状态下用户发出开机命令，若开机期间无故障发生时，储能系统进入运行状态。储能系统在运行状态实现对制动能量吸收与释放的控制，包括用于解决车辆制动能量吸收与释放时机问题的储能系统运行状态控制方法和串联双向DC/DC变换器的能量回收与释放控制方法。若用户给出急停命令或系统出现故障时，系统进入急关状态。系统在开机或运行状态中，用户给出停机命令时，系统进入停机状态。储能系统处于停机或急关状态时，用户给出检修命令，则储能系统将储存的能量通过放电电阻释放完毕进入检修状态。

如图7所示储能系统运行状态控制框图，其中：U_SCmax为两组超级电容端电压最高值，U_SCmin为两组超级电容端电压最低值，U_{C_up}为超级电容端电压上限保护值，U_{C_down}为超级电容端电压下限保护值，U_{g_up}为系统由待机转入储能时网侧电压上限值，U_{g_down}为系统由待机转入释能时网侧电压下限值，PI1_Ug、PI2_Ug、PI3_USC和PI4_USC分别为网侧电压上限、网侧电压下限、超级电容端电压上限和超级电容端电压下限的PI调节器，I_lim为充/放电限制电流，I_{SC_buck}为系统储能时的电流给定，I_{SC_boost}为系统释能时的电流给定，I_{SC_ref}为系统运行状态管理策略最终的电流给定值。

两组超级电容模块端电压在U_{C_up}与U_{C_down}之间时，当网侧电压U_g高于U_{g_up}时，PI1_U_g输出正饱和，限幅值为I_lim，I_{SC_buck}输出为I_lim，此时I_{SC_boost}输出为0，最终I_{SC_ref}输出为I_lim；当网侧电压U_g低于U_{g_down}时，PI2_U_g输出负饱和，限幅值为-I_lim，I_{SC_boost}输出为-I_lim，此时I_{SC_buck}输出为0，最终I_{SC_ref}输出为-I_lim；当网侧电压U_g在U_{g_up}和U_{g_down}之间时，最终I_{SC_ref}输出为0。当两组超级电容模块端电压最低值U_SCmin低于U_{C_down}及两组超级电容模块端电压最高值U_SCmax高于U_{C_up}时，最终I_{SC_ref}输出亦为0。I_{SC_ref}输出为I_lim，表示超级电容模块以I_lim电流进行充电储能；I_{SC_ref}输出为-I_lim，表示超级电容模块以I_lim电流进行放电释能；I_{SC_ref}输出为0，表示储能系统待机，无能量的流动。

如图8所示能量回收与释放控制框图，图7所示的储能系统运行状态控制方法为能量回收与释放控制方法提供指令电流I_{SC_ref}。该控制方法包括第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器高压侧均压环与电流环的双环控制。第一双向DC/DC变换器高压侧电压U_m1与第二双向DC/DC变换器高压侧电压U_m2作差，经PI调节器后，与I_{SC_ref}叠加经限幅后作为第一双向DC/DC变换器电流环的指令I_{H_ref}，I_{H_ref}与第一双向DC/DC变换器的第一电感电流I_L1作差经PI调节器、限幅环节后作为第一双向DC/DC变换器第一桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r1进行截交得到第一桥臂的开关管控制信号。I_{H_ref}与第一双向DC/DC变换器的第二电感电流I_L2作差经PI调节器、限幅环节后作为第一变换器第二桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r2进行截交得到第二桥臂的开关管控制信号。I_{H_ref}与第一双向DC/DC变换器的第三电感电流I_L3作差经PI调节器、限幅环节后作为第一变换器第三桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r3进行截交得到第三桥臂的开关管控制信号。最终控制第一双向DC/DC变换器的高压侧电压、能量流动方向及能量大小。均压环输出信号I_{k_m}，自身取反后与I_{SC_ref}叠加经限幅后作为第二双向DC/DC变换器电流环的指令I_{L_ref}，I_{L_ref}与第二双向DC/DC变换器第一电感电流I_L4作差经PI调节器、限幅环节后作为第二双向DC/DC变换器第一桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r4进行截交得到第一桥臂的开关管控制信号。I_{L_ref}与第二双向DC/DC变换器第二电感电流I_L5作差经PI调节器、限幅环节后作为第二双向DC/DC变换器第二桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r5进行截交得到第二桥臂的开关管控制信号。I_{L_ref}与第二双向DC/DC变换器第三电感电流I_L6作差经PI调节器、限幅环节后作为第二双向DC/DC变换器第三桥臂的PWM的调制信号与载波信号u_r6进行截交得到第六桥臂的开关管控制信号。最终控制第二双向DC/DC变换器的高压侧电压、能量流动方向及能量大小。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于串联双向变换器的储能系统，其特征在于：包含储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器、第二双向DC/DC变换器、第一超级电容组模块和第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器的低压侧连接第一超级电容组模块，第二双向DC/DC变换器的低压侧连接第二超级电容组模块，所述第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的高压侧均包含第一端和第二端，牵引网经储能系统网侧接口电路分别连接第一双向DC/DC变换器的第一端和第二双向DC/DC变换器的第二端，第一双向DC/DC变换器的第二端连接第二双向DC/DC变换器的第一端；该储能系统还包含中央控制器、辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，所述中央控制器分别与辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器进行数据交互，所述中央控制器采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流以及第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压、低压侧电压和输出电感电流并对这些信号进行监测，中央控制器根据采集信号和监测信号产生控制信号，并将控制信号传送给辅助控制器、综合显示控制器、第一超级电容组均衡控制器和第二超级电容组均衡控制器，从而控制整个储能系统的工作状态，所述辅助控制器分别采集储能系统网侧接口电路的牵引网电压、电流的硬件保护信号和开关触点信号以及第一、第二双向DC/DC变换器的电压、电流和温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，辅助控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制储能系统网侧接口电路、第一双向DC/DC变换器和第二双向DC/DC变换器的状态，所述第一超级电容组均衡控制器采集第一超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第一超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第一超级电容组模块的状态，所述第二超级电容组均衡控制器采集第二超级电容组模块的端电压、均衡电流以及单体电压、温度的硬件保护信号并对这些信号进行监测，第二超级电容组均衡控制器根据采集信号、监测信号以及中央控制器传来的控制信号控制第二超级电容组模块的状态，所述综合显示控制器接收并显示中央控制器传来的控制信号和状态信号。

2.根据权利要求1所述基于串联双向变换器的储能系统，其特征在于：所述中央控制器采用DSP处理器。

3.根据权利要求1所述基于串联双向变换器的储能系统，其特征在于：所述辅助控制器采用FPGA。

4.基于权利要求1所述基于串联双向变换器的储能系统的控制方法，其特征在于：若第一、第二超级电容组模块的端电压在预定范围内，当网侧电压上升至设定的上限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于降压模式，储能系统吸收能量，抑制网侧电压的上升，当网侧电压下降至设定的下限值时，第一、第二双向DC/DC变换器工作于升压模式，储能系统释放能量，抑制网侧电压的跌落，当网侧电压在设定的上限值和下限值之间时，储能系统工作于待机模式，储能系统无能量流动，维持网侧电压不变；若第一、第二超级电容组模块的端电压超出预定范围，储能系统工作于待机模式。

5.基于权利要求1所述基于串联双向变换器的储能系统的控制方法，其特征在于：对第一、第二双向DC/DC变换器采用高压侧均压环与电流环的双环控制，当储能系统处于储能或释能状态时，高压侧均压环控制第一、第二双向DC/DC变换器的高压侧电压均等，电流环根据储能系统运行状态控制指令控制第一、第二双向DC/DC变换器充/放电电流的大小。