CN105576645A - 一种多个直流电源系统能量互联网络及互联方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种简单、模块化、高稳定裕度和自主的多个电源系统能量互联网络及能量分配方法：通过电流模式控制的双向DC-DC变换器来实现能量的分配，通过使用公共母线误差放大器SBEA来取代传统能量分配方法中的软件与通信单元，与此同时，传统的三域调节方式将被四域的控制方式而取代。在能量分配中不需要通信设备或软件算法，需要连接的导线只有三条；使用相同控制方式的多个系统通过唯一的模拟控制信号来参加能量互联网络；更重要的是，能量分配的是自动进行的，无需软件计算；模拟控制的采用，确保了公共母线的高稳定裕度，低输出阻抗，快速的动态响应。

Description

一种多个直流电源系统能量互联网络及互联方法

技术领域

本发明属于能源利用技术领域，具体涉及一种多个直流电源系统能量互联网络及互联方法。

背景技术

当多个太阳能阵列-蓄电池直流电源系统需要组成“能源局域网”工作时，往往因为不同太阳能阵列-蓄电池直流电源系统会具有不同的光照和负载条件，导致某些太阳能阵列-蓄电池直流电源系统供电过分充足而某些供电严重不足，所以这其中一个重要的问题是如何实现每个独立电源系统的能量分配或功率共享。为达到扩展单个供配电系统功率上限的目的，由多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统(PV-BatteryPowerSystem，PBPS)组成的“能源局域网”已形成。在实际电源系统的应用中，如附图1所示，PBPS通常是基于全调节S3R架构。

由于光伏阵列阴影遮挡区的存在或由于每个PBPS用户具有不同功率负载的需求，通常需要在多个PBPS模块之间进行能量重新分配，使每个PBPS满足其自身的负载功率需求。然而，附图1所示能量功率分配是需要通信单元和软件算法来计算的当前功率流动数值和方向。因此，它具有低可靠性，高成本等固有缺陷。该能量分配方式的动态性能及稳定性得不到保证。此外，无法进行模块化直接扩展，当多个系统并联时，导致软件算法和通信单元(S&T)需作相应修改。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单、模块化、高稳定裕度和自主的多个直流电源系统能量互联网络和互联方法，确保公共母线的高稳定裕度，低输出阻抗，快速的动态响应。

为达上述目的，本发明的一种多个直流电源系统能量互联网络，所述网络包括多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS、与所述多个PBPS对应的多个电流模式控制的双向DC-DC变换器BDDC、公共母线误差放大器；其特征在于：所述网络通过BDDC实现能量的分配，通过SBEA取代传统能量分配中的软件与通信单元，与此同时，传统的S3R三域调节方式被四域的控制方式而取代；其中，所述BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，所述BDDC单元的输出电流根据SBEA和MEA的取小后的结果来控制；所述四域包括SUN域、SUN-NEED域、电池充电域、电池放电域，所述四域控制方式是在传统的三域调节的基础上，当MEA工作在SUN-NEED域时，BDDC将控制公共母线的提取电流，BDDC的输出电流受MEA信号控制，而BDDC在SUN-NEED域看成一个压控电流源。

作为本发明的进一步改进，所述BDDC的主功率部分由推挽拓扑或者半桥拓扑或者全桥隔离拓扑实现。

作为本发明的进一步改进，所述系统还包括与多个BDDC对应的多个S3R系统，所述S3R系统用于实现所述四域控制方式。

作为本发明的进一步改进，多个S3R系统之间的能量分配只需要有三根导线完成，所述三根导线为公共控制信号线、公共母线正线、公共母线回线。

作为本发明的进一步改进，所述BDDC工作在以下三种不同的工作模式：

模式1：当某S3R系统中PV所产生的能量小于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN_NEED域，用作调节公共母线的BDDC受MEA控制，公共母线能量流向用户母线；

模式2：当某S3R系统中PV所产生的能量远大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受SBEA信号控制，并负责调节公共母线，用户母线的能量将流向公共母线；

模式3：当某S3R系统中PV所产生的能量稍大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受MEA信号控制，但它不负责调节公共母线，用户母线能量流向公共母线。

另一方面，本发明的一种多个直流电源系统能量互联方法，应用于多个直流电源系统能量互连网络，所述网络包括多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS、与所述多个PBPS对应的多个电流模式控制的双向DC-DC变换器BDDC、公共母线误差放大器；其特征在于：所述方法通过BDDC实现能量的分配，通过SBEA取代传统能量分配中的软件与通信单元，与此同时，传统的S3R三域调节方式被四域的控制方式而取代；其中，所述BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，所述BDDC单元的输出电流根据SBEA和MEA的取小后的结果来控制；所述四域包括SUN域、SUN-NEED域、电池充电域、电池放电域，所述四域控制方式是在传统的三域调节的基础上，当MEA工作在SUN-NEED域时，BDDC将控制公共母线的提取电流，BDDC的输出电流受MEA信号控制，而BDDC在SUN-NEED域看成一个压控电流源。

附图说明

图1是能源互联网的功率分配框图；

图2是本发明的能量互联网络的结构框图；

图3是本发明所采用的双向DC-DC变换器控制系统的示意图；

图4是能量互联网络中S3R架构电源系统示意图；

图5是MEA在S3R系统中域的划分示意图；

图6是功率分配控制框图；

图7是BDDC竞争逻辑示意图；

图8是系统等效线性框图；

图9是PI型SBEA示意图。

具体实施方案

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

基于“能源局域网”架构，本发明提出了一种简单、模块化、高稳定裕度和自主的多个电源系统能量互联网络及能量互联方法：通过电流模式控制的BDDC(BidirectionalDC-DCConverters，双向DC-DC变换器)来实现能量的分配，通过使用SBEA(SharingBusErrorAmplifier)，公共母线误差放大器)来取代传统能量分配方法中的软件与通信单元，与此同时，传统的三域调节方式将被四域的控制方式而取代。

所述能量互联网络的结构框图如附图2所示。主要特点如下：(1)简单：在能量分配中不需要通信设备或软件算法，需要连接的导线只有三条。(2)模块化和自动化：使用相同控制方式的多个系统通过唯一的模拟控制信号来参加能量互联网络。更重要的是，能量分配的是自动进行的，无需软件计算。(3)模拟控制的采用，确保了公共母线的高稳定裕度，低输出阻抗，快速的动态响应。

一、BDD的控制方式

BDDC具有控制公共母线和用户母线在两个方向之间能量流动的能力。BDDC的主功率部分可由推挽、半桥、全桥等隔离拓扑进行实现，在本发明中优选驱动比较简单的推挽拓扑。BDDC功能描述如附图3所示，为了保证整个系统的可靠性，在BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，DCDC的输出电流(Iout)通过SBEA和主误差放大器MEA的取小后来控制。与之相应，在传统的多个S3R系统并联系统中，输出电流是由通信和软件算法单元控制。

二、S3R的四域控制工作原理

基于三域控制和跨导控制方式的母线调节是S3R的主要特征，顺序开关分流调节器S3R系统由分流调节单元(SR)、蓄电池充电单元(BCR)、蓄电池放电单元(BDR)组成，如附图4所示。它们是通过MEA控制不同的子模块来实现的：在阳光区，S3R分流剩余的太阳能电池能量，而电池充电调节单元在出影后以最优的方式将电池能量立刻恢复，最后，电池放电调节单元在阴影区或在阳光区的高功率瞬态负载的作用下(功率需求大于PV的功率输出)进行母线调节工作。

在实际应用中，S3R的最大功率能力能够通过内部BDDC来扩展，以满足所有当前S3R用户负载功率需求。因此，传统的三域控制的设计方式被四域的控制方式取代，如图5所示。当MEA工作在SUN-NEED域，BDDC将控制公共母线的提取电流，BDDC的输出电流Iout受MEA信号控制，而BDDC在SUN-NEED域看成一个压控电流源。因此，在SUN-NEED域里，较低的MEA电压对应着更高的BDDC电流从公共母线流向用户母线，反之亦然。BDDC在四个域中的运行就好比一个MEA压控电流源，故母线电压通过调节电流进行稳压，并且多个模式之间的切换可以自动进行。

三、SBEA的定义和能量分配方式

公共母线的电压必须处于调节稳压状态以保证系统可靠性。能量分配的公共部分负责调节公共母线，其中包含有电容阵和公共母线电压误差放大器SBEA。公共母线电压调节的控制系统如附图6所示，多个S3R能量系统之间的分配只需要有三根导线完成(公共控制信号线、公共母线正线、公共母线回线。)。

假设在整个系统层面里，能量互联网络中的所有PV所产生的总功率大于所有用户的消耗功率。BDDC将工作在以下三种不同的工作模式：

模式1：当某S3R系统中PV所产生的能量小于其用户自身消耗的能量时，MEA则工作在SUN_NEED域，用作调节公共母线的BDDC受MEA控制，公共母线能量流向用户母线。从附图7可以看出，SBEA的线性放大信号(*SBEA)将被箝位为在2.5V和4.5V之间，同时MEA的线性放大信号(*MEA)将通过取小竞争逻辑方式取得BDDC的控制权，因此用户母线电压将通过BDDC流向用户母线的电流进行调节。当前S3R系统中的BDDC可以视为公共母线的负载，所以它不负责公共母线电压的调节。

模式2：当某S3R系统中PV所产生的能量远大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受SBEA信号控制，并负责调节公共母线，用户母线的能量将流向公共母线。*SBEA不受*MEA箝位，相同情况下S3R系统中的BDDC模块将接收到相同SBEA信号。因此公共母线电压可以通过SBEA作为外环来调节，SBEA信号控制BDDC的输出电流作为内环。

模式3：当某S3R系统中PV所产生的能量稍大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受MEA信号控制，但它不负责调节公共母线，用户母线能量流向公共母线。*MEA电压将受到*SBEA电压上限的限制，同时*SBEA的电压将被箝位到*MEA的电压，以确保当前S3R的PV发电产生的能量能够优先保证其用户自身的能量需求。

更多的具有相同控制方式的S3R电源系统可以只连接一个控制信号加入“能量互联网络”，因此可以看出该方法保证了系统的简单和模块化。与此同时多个功率系统可以自动进行功率共享和分配，而无需任何通讯。

四、公共母线稳定性分析

所有BDDC可以等效为压控电流源，因此它们可以被理想化为线性跨导，外环电压调节模型如附图8所示。其中K因子代表的是母线电压的电阻分压值，A(s)代表的是SBEA的传递函数，G(s)代表的是SBEA电压到BDDC输出电流的跨导传递函数，Cbus代表的是公共母线电容阵，Iload代表的是公共母线的负载电流值，SBEA是基本的PI控制器，如附图9所示。A(s)由式(1)所示：

$A\left(S\right)=\frac{R_2}{R_1}+\frac{1}{C_1{R}_{1}s}+1---\left(1\right)$

长导线上寄生电感和电容的影响可以等效环路中的延时环节。该延时可以使用帕德二阶方程来近似，传递函数由式(2)给出：

$\mathrm{\τ}\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}^2{s}^2-6\mathrm{\τ}s+12}{{\mathrm{\τ}}^2{s}^2+6\mathrm{\τ}s+12}---\left(2\right)$

式中τ为SBEA控制信号的延时时间。

公共母线调节控制环路的传递函数由式(3)给出。

$T_{BUS}\left(s\right)=K(\frac{R_2}{R_1}+\frac{1}{C_1\·S\·R_1}+1)\mathrm{\τ}\left(s\right)G_{BDDC}\frac{R_L}{1+R_L{C}_{bus}s}---\left(3\right)$

式中G_BDDC为SBEA电压到BDDC输出电流的跨导增益，R_L为公共母线的等效负载。

通过计算|TBUS(s)|＝1时，得到式(4)所示的控制环路的穿越频率f_cross，

$f_{cross}=\frac{K(R_2+R_1)G_{BDDC}}{C_{bus}{R}_1}---\left(4\right)$

公共母线的输出阻抗Z_OUT如式(5)所示。

$Z_{Out}\left(s\right)=-\frac{V_{vus}\left(s\right)}{I_{load}\left(s\right)}=\frac{1}{C_{bus}s+K\mathrm{\τ}\left(s\right)A\left(s\right)G\left(s\right)}---\left(5\right)$

因此，整个电源系统具有很高的稳定裕度，满足实际应用，此外，公共母线输出阻抗低，多个具有形同四域控制架构的电源系统可以加入到能量互联网中，系统的模块化性能可以得到保证。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多个直流电源系统能量互联网络，所述网络包括多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS、与所述多个PBPS对应的多个电流模式控制的双向DC-DC变换器BDDC、公共母线误差放大器；其特征在于：所述网络通过BDDC实现能量的分配，通过SBEA取代传统能量分配中的软件与通信单元，与此同时，传统的S3R三域调节方式被四域的控制方式而取代；其中，所述BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，所述BDDC单元的输出电流根据SBEA和MEA的取小后的结果来控制；所述四域包括SUN域、SUN-NEED域、电池充电域、电池放电域，所述四域控制方式是在传统的三域调节的基础上，当MEA工作在SUN-NEED域时，BDDC将控制公共母线的提取电流，BDDC的输出电流受MEA信号控制，而BDDC在SUN-NEED域看成一个压控电流源。

2.根据权利要求1所述的能量互联网络，其特征在于：所述BDDC的主功率部分由推挽拓扑或者半桥拓扑或者全桥隔离拓扑实现。

3.根据权利要求1所述的能量互联网络，其特征在于：所述网络还包括与多个BDDC对应的多个S3R系统，所述S3R系统用于实现所述四域控制方式。

4.根据权利要求1所述的能量互联网络，其特征在于：所述多个S3R系统之间的能量分配只需要有三根导线完成，所述三根导线为公共控制信号线、公共母线正线、公共母线回线。

5.根据权利要求1所述的能量互联网络，其特征在于：所述BDDC工作在以下三种不同的工作模式：

模式1：当某S3R系统中PV所产生的能量小于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN_NEED域，用作调节公共母线的BDDC受MEA控制，公共母线能量流向用户母线；

模式2：当某S3R系统中PV所产生的能量远大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受SBEA信号控制，并负责调节公共母线，用户母线的能量将流向公共母线；

模式3：当某S3R系统中PV所产生的能量稍大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受MEA信号控制，但它不负责调节公共母线，用户母线能量流向公共母线。

6.一种多个直流电源系统能量互联方法，应用于多个直流电源系统能量互连网络，所述网络包括多个太阳能电池阵列-蓄电池直流电源系统PBPS、与所述多个PBPS对应的多个电流模式控制的双向DC-DC变换器BDDC、公共母线误差放大器；其特征在于：所述方法通过BDDC实现能量的分配，通过SBEA取代传统能量分配中的软件与通信单元，与此同时，传统的S3R三域调节方式被四域的控制方式而取代；其中，所述BDDC单元中采用磁反馈技术和双向电流检测技术实现闭环反馈控制，所述BDDC单元的输出电流根据SBEA和MEA的取小后的结果来控制；所述四域包括SUN域、SUN-NEED域、电池充电域、电池放电域，所述四域控制方式是在传统的三域调节的基础上，当MEA工作在SUN-NEED域时，BDDC将控制公共母线的提取电流，BDDC的输出电流受MEA信号控制，而BDDC在SUN-NEED域看成一个压控电流源。

7.根据权利要求6所述的能量互联方法，其特征在于：所述BDDC的主功率部分由推挽拓扑或者半桥拓扑或者全桥隔离拓扑实现。

8.根据权利要求6所述的能量互联方法，其特征在于：所述网络还包括与多个BDDC对应的多个S3R系统，所述S3R系统用于实现所述四域控制方式。

9.根据权利要求6所述的能量互联方法，其特征在于：所述多个S3R系统之间的能量分配只需要有三根导线完成，所述三根导线为公共控制信号线、公共母线正线、公共母线回线。

10.根据权利要求6所述的能量互联方法，其特征在于：所述BDDC工作在以下三种不同的工作模式：

模式1：当某S3R系统中PV所产生的能量小于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN_NEED域，用作调节公共母线的BDDC受MEA控制，公共母线能量流向用户母线；

模式2：当某S3R系统中PV所产生的能量远大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受SBEA信号控制，并负责调节公共母线，用户母线的能量将流向公共母线；

模式3：当某S3R系统中PV所产生的能量稍大于其用户自身消耗的能量时，MEA工作在SUN域，BDDC受MEA信号控制，但它不负责调节公共母线，用户母线能量流向公共母线。