CN104716835A - 一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器及其控制方法 - Google Patents

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杨光耀
张颖瑶
程逸帆
朱海鹏
赵磊
董振
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Abstract

一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器，蓄电池和超级电容分别通过一个Buck/Boost电路接入直流母线。电路采用独立PWM控制方式。蓄电池环路采用电流环控制方式。超级电容环路采用电压环控制方式。该变换器稳定了直流母线电压，利用了蓄电池和超级电容特性的优势，保证了蓄电池的健康使用。本发明还提供一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器的控制方法。

Description

一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及混和储能系统直流变换方法领域，尤其涉及一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统双向直流变换器及其控制方法。
背景技术
混合储能系统在分布式发电、电力储能等领域的应用日益广泛。多数应用领域中，尤其是微电网环境下，对于直流变换器的输出功率需求是变化的，输出功率的波动会造成直流电压的波动。直流电压的波动会使得逆变器输出电压波动，从而给电网带来安全隐患。
超级电容和蓄电池的输出特性存在差异。超级电容具有响应速度快，大功率输出能力强，储能容量小的特点；蓄电池具有响应速度慢，大功率输出能力弱，储能容量大的特点。对超级电容和蓄电池采用相同的控制方式，发挥不出两种储能应有的优势，甚至会对储能装置造成损害。
脉宽调制（PWM）控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路几乎都采用了PWM技术，基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可。
根据上述原理，在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲数后，PWM波形各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的PWM波形。
比例积分（PI）调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例（P）和积分（I）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。简单说来，PI控制器各校正环节的作用如下：
1．比例环节，即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。
2．积分环节，主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分常数，越大，积分作用越弱，反之越强。通常在不变的情况下，越大，即积分作用越弱，闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。
发明内容
为了克服直流母线电压的波动，更好的利用超级电容和蓄电池两种储能装置的特性。本发明提出了一种双向直流变换器及其控制方法，这种变换器不仅能够稳定直流母线电压的波动，更能对不同储能装置采用不同控制策略，从而提高变换器的性能。本发明由独立PWM控制Buck/Boost电路实现的超级电容和蓄电池混合储能系统双向直流变换，克服直流母线电压的波动，更好的利用两种储能装置的特性，从而提高变换器的性能，尤其是微电网环境下，满足了直流变换器输出功率变化的需求。
为实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器，该结构可以看作是两个Buck/Boost电路的并联，连接于稳定电容C；所述的蓄电池通过一个储能电感                                                、电力电子开关器件、电力电子开关器件（称为变换器1路）构成的电路输出能量，所述的超级电容通过一个储能电感、电力电子开关器件、电力电子开关器件（称为变换器2路）构成的电路输出能量。
所述的蓄电池所在的变换器1路采用电流环控制，以控制蓄电池的输出功率和给定功率相等。同时电流环控制可以限制蓄电池的输出电流，从而延长蓄电池的寿命。电流采样点为上的电流。采样上电流之后，与给定电流做差，经PI环调节，得出占空比参考信号。
所述的超级电容所在的变换器2路采用电压环控制，以稳定电容C上的电压，同时可以充分利用其响应速度快的特点。电压闭环采样点位电容C上的电压。采样C上电压之后，与给定电压做差，经PI环调节，得出占空比参考信号。
由于蓄电池和超级电容输出功率是变化的，同时为了达到闭环控制的稳定，储能电感值和尽量取小，所以在开关频率不能无限高的情况下，必然出现电流断续的状态。此时Buck/Boost电路若采用互补PWM控制方式，则电压不能稳定，所以，Buck/Boost电路采用独立PWM控制方式。当输出能量时，、常开，、跟随PWM信号开闭。当吸收能量时，、常开，、跟随PWM信号开闭。
本发明的有益效果是：克服直流母线电压的波动，利用两种储能装置的特性，保证蓄电池的安全充放电。
附图说明
图1是本发明双向直流变换器结构示意图；
图2是电压控制环路图；
图3是电流控制环路图。
具体实施方式
下面请结合说明书附图，对本发明进一步描述。
图1为本发明中一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器的结构示意图，该结构可以看作是两个Buck/Boost电路的并联。如图1所示，蓄电池通过储能电感、电力电子开关器件、电力电子开关器件（称为变换器1路）构成的电路输出能量，超级电容通过储能电感、电力电子开关器件、电力电子开关器件（称为变换器2路）构成的电路输出能量。
蓄电池所在的变换器1路采用电流环控制，以控制蓄电池的输出功率和给定功率相等。同时电流环控制可以限制蓄电池的输出电流，从而延长蓄电池的寿命。电流采样点为上的电流。
超级电容所在的变换器2路采用电压环控制，以稳定电容C上的电压，同时可以充分利用其响应速度快的特点。电压闭环采样点位电容C上的电压。
电流环采用的控制环路如图3所示，采样上电流之后，与给定电流做差，经PI环调节，得出占空比参考信号。调节电力电子开关、开关占空比为，通过电力电子开关输出的蓄电池电流能够满足给定电流，限制蓄电池的输出电流，从而延长蓄电池的寿命。
电压环采用的控制环路如图2所示，采样C上电压之后，与给定电压做差，经PI环调节，得出占空比参考信号。调节电力电子开关、开关占空比为，通过电力电子开关输出超级电容C上的电压能够满足给定电压，以稳定超级电容C的电压。
由于蓄电池和超级电容输出功率是变化的，同时为了达到闭环控制的稳定，储能电感值和尽量取小，所以在开关频率不能无限高的情况下，必然出现电流断续的状态。此时Buck/Boost电路若采用互补PWM控制方式，则电压不能稳定，所以，Buck/Boost电路采用独立PWM控制方式。当输出能量时，、常开，、跟随PWM信号开闭。当吸收能量时，、常开，、跟随PWM信号开闭。

Claims (4)

1.一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统的双向直流变换器，其特征在于：所述的超级电容和蓄电池分别通过Buck/Boost电路连接到直流母线，与稳定电容C连接；所述超级电容和蓄电池的Buck/Boost电路都通过独立PWM控制，实现充放电控制，其中：所述的蓄电池通过一个储能电感和两个电力电子开关器件形成变换器一路，构成的电路输出能量；所述的超级电容通过一个储能电感和两个电力电子开关器件形成变换器二路，构成的电路输出能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超级电容采用电压环控制。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的蓄电池采用电流环控制。
4.一种基于Buck/Boost电路的超级电容和蓄电池混合储能系统双向直流变换器的控制方法，用于平抑直流变换器的电压波动，其特征在于：
所述的蓄电池所在的变换器一路采用电流环控制，以控制蓄电池的输出功率和给定功率相等；电流采样点为储能电感上的电流；采样储能电感上电流                                               之后，与给定电流做差，经PI环调节，得出占空比参考信号；
所述的超级电容所在的变换器二路采用电压环控制，以稳定电容C上的电压；电压闭环采样点位电容C上的电压；采样C上电压之后，与给定电压做差，经PI环调节，得出占空比参考信号；
所述的Buck/Boost电路采用独立PWM控制方式。
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