CN108173258B - 一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，涉及一种三端口变换器接入直流微电网后的功率分配技术，为了实现混合储能系统通过三端口变换器接入直流微电网后的功率合理分配。本发明是在储能单元中，直流母线电压稳定的同时，利用三端口变换器低压侧实时电流反馈值形成虚拟电感和虚拟电容；虚拟电感与下垂控制结合后，通过恒压控制作为移相控制的一个输入端；虚拟电容与下垂控制结合后，通过恒压控制后，再次与超级电容电压恢复控制相结合作为移相控制的另一个输入端；移相控制的输出端分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配。有益效果为实现了功率的合理分配。本发明适用于直流混合储能系统。

Description

一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法
技术领域
本发明涉及一种三端口变换器接入直流微电网后的功率分配技术。
背景技术
蓄电池和超级电容分别具有容量密度大和功率密度大的特点，结合两者特点构成的混合储能系统可实现优势互补，提高储能装置的输出性能和运行寿命。在电力系统中应用混合储能系统得到了广泛的研究，可使用蓄电池提供长时间尺度的能量缓冲，为电力系统的能量平衡提供支撑，使用超级电容提供暂态能量缓冲，平抑系统中短时间尺度的功率波动，从而提高系统的暂态性能。
针对混合储能系统的功率分配，有学者提出了基于滤波器的混合储能系统功率分配方案，即将目标功率分别通过低通滤波器和高通滤波器后作为目标功率分配至蓄电池部分和超级电容部分。这种方法在已知目标功率的前提下可以实现较好的功率分配，即目标功率中的低频部分由蓄电池负责，高频部分由超级电容负责。但在目标功率未知的情况下，该方法失效，如在直流微电网中，系统运行模式包含储能单元恒压控制工作状态，此时储能单元输出功率由负载和系统中其他单元的功率共同决定，简单的滤波器方法将无法直接使用。
同时，混合储能系统中蓄电池和超级电容需要通过对应的双向变换器实现功率控制，在直流微电网中，较常见的接口变换器方案可采用两个buck/boost双向变换器分别连接蓄电池和超级电容至直流母线，但当蓄电池和超级电容之间交换能量时需要通过两个变换器，导致功率传输环节增加。因此，基于三绕组高频变换器的三端口直流双向变换器更适合应用到混合储能系统接入直流微电网的场合中。基于高频变换器的三端口变换器不仅可实现两两端口间能量的直接传输，还具有变压比高、电气隔离等优点。现有的三端口变换器变压器的电路图如图1所示。
发明内容
本发明的目的是为了实现混合储能系统通过三端口变换器接入直流微电网后的功率合理分配，提出了一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法。
本发明所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，该方法是在储能单元中，直流母线电压稳定的同时，利用三端口变换器低压侧实时电流反馈值形成虚拟电感和虚拟电容；
所述虚拟电感与下垂控制结合后，通过恒压控制作为移相控制的一个输入端；
所述虚拟电容与下垂控制结合后，通过恒压控制后，再次与超级电容电压恢复控制相结合作为移相控制的另一个输入端；
移相控制的输出端分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配。
本发明的有益效果是在恒压下垂控制下实现了混合储能系统通过三端口变换器接入直流微电网后的功率合理分配，有效的降低蓄电池单元输出波动、有效的平抑系统中暂态功率波动，从而提高直流微电网的暂态性能、延长储能单元的使用寿命。
本发明适用于直流混合储能系统。
附图说明
图1为背景技术中现有的三端口变换器的电路图；
图2为具体实施方式一所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法原理示意图；
图3为具体实施方式一中负载功率递增时的仿真波形图；
图4为具体实施方式一中负载功率减小时的仿真波形图；
图5为具体实施方式一中负载功率发生周期波动时的仿真结果波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，在图1中，三端口变换器包括初级线圈N1、初级线圈N2、次级线圈N3、开关管Q1至开关管Q12、十二个二极管，电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2和电容C3；
电容C1、电容C2和电容C3分别并联在端口1、端口2和端口3处；
开关管Q1至开关管Q12的源极和漏极分别与十二个二极管并联；
开关管Q1至开关管Q4以及电感L1连接至初级线圈N1两侧，开关管Q5至开关管Q8以及电感L2连接至初级线圈N2两侧，开关管Q9至开关管Q12以及电感L3连接至初次级线圈N3两侧。
本实施方式所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，该方法是在储能单元中，直流母线电压稳定的同时，利用三端口变换器低压侧实时电流反馈值形成虚拟电感和虚拟电容；
所述虚拟电感与下垂控制结合后，通过恒压控制作为移相控制的一个输入端；
所述虚拟电容与下垂控制结合后，通过恒压控制后，再次与超级电容电压恢复控制相结合作为移相控制的另一个输入端；
移相控制的输出端分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配。
虚拟电感与下垂控制相结合的实现方法如公式[1]所示；
Figure GDA0002728784800000031
在公式[1]中，以蓄电池输出电流ibat为输入量，将该输入量送入传递函数
Figure GDA0002728784800000032
后，乘以虚拟电感系数Lv后作为负反馈信号送入蓄电池侧的电压外环给定部分，同时引入直流下垂控制，其中，io为三端口变换器母线侧输出电流，r为下垂系数，vref为恒压控制初始给定值，v* ob为加入下垂控制、虚拟电感控制后产生的蓄电池部分的母线电压给定值。
虚拟电容与下垂控制相结合的实现方法如公式[2]所示；
Figure GDA0002728784800000033
在公式[2]中，以超级电容输出电流iuc为输入量，将该输入量送入传递函数
Figure GDA0002728784800000034
后，乘以虚拟电容系数Cv后作为负反馈信号送入超级电容侧的电压外环给定部分；同时引入直流下垂控制，其中，v* oc为加入下垂控制、虚拟电容控制后产生的超级电容部分的母线电压给定值。
虚拟电感与下垂控制结合后的恒压控制是通过以下方法实现的：
将v* ob与vbus比较后送入一个PI控制器并经过限幅器进行合理限幅后，输出
Figure GDA0002728784800000035
其中
Figure GDA0002728784800000036
为蓄电池部分产生的调节量角；
虚拟电容与下垂控制结合后的恒压控制是通过以下方法实现的
将v* oc与vbus比较后送入另一个PI控制器并经过限幅器进行合理限幅后，输出超级电容部分产生的调节量；
所述vbus为母线电压采样值。
超级电容电压恢复控制是通过以下方法实现的：
将超级电容的给定值v* uc与端电压采样值vuc比较后送入一个低带宽PI控制器和对应的限幅器后，输出超级电容电压恢复控制部分的输出量；其中，v* uc为超级电容端电压稳定在其电量居中时的设定值。
移相控制是指使得输出信号与两个输入信号的相位保持确定关系的自动调节方法；其中，两个输入信号分别为
Figure GDA0002728784800000041
和
Figure GDA0002728784800000042
所述
Figure GDA0002728784800000043
为输出超级电容部分产生的调节量与超级电容电压恢复控制部分的输出量的差；输出信号分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配。在本实施方式中，输出信号分为第一输出信号、第二输出信号和第三输出信号；第一输出信号控制开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3和开关管Q4；第二输出信号控制开关管Q5、开关管Q6、开关管Q7和开关管Q8；第三输出信号控制开关管Q9、开关管Q10、开关管Q11和开关管Q12。
为了验证本实施方式所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法的有效性，采用电力电子仿真软件对所提三端口混合储能虚拟阻抗式分频段控制方法进行了仿真验证，其中三端口变换器中蓄电池侧和超级电容侧电压为48V，直流母线侧电压等级为320V，三绕组高频变压器的匝数比为3:3:20。仿真结果中ibat为蓄电池侧电流，iuc为超级电容侧电流，io为母线侧负载电流，vuc为超级电容端电压。
首先对负载递增的情况进行验证，如图3所示，开始时负载恒定，蓄电池为其提供电能，超级电容处于零输出状态；2s时负载功率增加，可以看到超级电容迅速响应负载的暂态功率变化，电流迅速增大以补充系统中的短缺能量，之后逐渐归零；而蓄电池输出电流则缓慢地增加直到稳定；之后，负载持续增加，直至蓄电池侧功率流动发生翻转，蓄电池由充电变为放电；在此过程中，超级电容在补偿功率时端电压发生下降，但是可观察到在电压恢复环节的调节下端电压得以恢复。
如图4所示，负载功率在2～4s时持续减少，可以看到该情况下超级电容可吸收来自负载的暂态电流，而蓄电池的稳态电流相应下降；在负载功率下降过程时超级电容的端电压升高，但是在其电压恢复环节的调节下可逐渐恢复回48V；且在每次功率变化时超级电容依然响应其暂态波动部分，蓄电池则响应低频波动；在3.5s时负载功率的持续降低使蓄电池的能量流动发生翻转。
从图3和图4中发现蓄电池在充、放电切换过程中实现了平滑过渡，这是所提虚拟电感、虚拟电容控制方法和移相控制共同作用的效果。
如图5所示，超级电容吸收了主要的功率波动部分，而蓄电池侧的输出电流波动较小；在负载功率波动消失后，超级电容的端电压逐渐恢复至48V。
本实施方式在实现混合储能系统高效、模块化接入直流微电网的基础上，结合移相控制方法，发明了直流混合储能系统中三端口变换器的虚拟阻抗式分频段控制方法，可在系统目标功率信息未知的情况下完成混合储能装置的功率合理分配，并同时实现恒压下垂控制；此外，在本发明的控制方案下蓄电池单元充放电状态的切换实现了平滑过渡。

Claims (3)

1.一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，该方法是在储能单元中，直流母线电压稳定的同时，利用三端口变换器低压侧实时电流反馈值形成虚拟电感和虚拟电容；
所述虚拟电感与下垂控制结合后，通过恒压控制作为移相控制的一个输入端；
所述虚拟电容与下垂控制结合后，通过恒压控制后，再次与超级电容电压恢复控制相结合作为移相控制的另一个输入端；
移相控制的输出端分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配；
虚拟电感与下垂控制相结合的实现方法如公式[1]所示；
Figure FDA0002728784790000011
在公式[1]中，以蓄电池输出电流ibat为输入量，将该输入量送入传递函数
Figure FDA0002728784790000012
后，乘以虚拟电感系数Lv后作为负反馈信号送入蓄电池侧的电压外环给定部分，同时引入直流下垂控制，其中，io为三端口变换器母线侧输出电流，r为下垂系数，vref为恒压控制初始给定值，v* ob为加入下垂控制、虚拟电感控制后产生的蓄电池部分的母线电压给定值；
虚拟电容与下垂控制相结合的实现方法如公式[2]所示；
Figure FDA0002728784790000013
在公式[2]中，以超级电容输出电流iuc为输入量，将该输入量送入传递函数
Figure FDA0002728784790000014
后，乘以虚拟电容系数Cv后作为负反馈信号送入超级电容侧的电压外环给定部分；同时引入直流下垂控制，其中，v* oc为加入下垂控制、虚拟电容控制后产生的超级电容部分的母线电压给定值；
其特征在于，虚拟电感与下垂控制结合后的恒压控制是通过以下方法实现的：
将v* ob与vbus比较后送入一个PI控制器并经过限幅器进行合理限幅后，输出
Figure FDA0002728784790000015
其中
Figure FDA0002728784790000016
为蓄电池部分产生的调节量角；
虚拟电容与下垂控制结合后的恒压控制是通过以下方法实现的：
将v* oc与vbus比较后送入另一个PI控制器并经过限幅器进行合理限幅后，输出超级电容部分产生的调节量；
所述vbus为母线电压采样值。
2.根据权利要求1所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，其特征在于，超级电容电压恢复控制是通过以下方法实现的：
将超级电容的给定值v* uc与端电压采样值vuc比较后送入一个低带宽PI控制器和对应的限幅器后，输出超级电容电压恢复控制部分的输出量；其中，v* uc为超级电容端电压稳定在其电量居中时的设定值。
3.根据权利要求2所述的一种三端口变换器的虚拟电感和虚拟电容功率分配方法，其特征在于，移相控制是指使得输出信号与两个输入信号的相位保持确定关系的自动调节方法；其中，两个输入信号分别为
Figure FDA0002728784790000021
和
Figure FDA0002728784790000022
所述
Figure FDA0002728784790000023
为输出超级电容部分产生的调节量与超级电容电压恢复控制部分的输出量的差；输出信号分别作用于三端口变换器中的开关管Q1至开关管Q12，达到混合储能功率的合理分配。
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