CN109066647B - 一种半隔离四端口混合储能装置 - Google Patents

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Abstract

一种半隔离四端口混合储能装置及控制方法，属于混合储能技术领域。本发明将发电系统、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个变换器上，通过将全桥结构的开关管进行复用，使得所述装置具有了双向Buck/Boost变换器和移相全桥变换器的功能。蓄电池与超级电容具有双向传递功率的作用，通过适当的控制方法，将电压控制器输出的电感电流指令值按照不同的频带进行分配。本发明的优势为母线中波动较快的部分分配给超级电容补偿，波动较慢的装置分配给蓄电池补偿，可以平抑母线电压波动；开关管的复用减少了功率器件和无源器件的使用，提高了功率密度和变换器的整体转换效率；电压动态性能有效的提高，在负载切换时，电压的跌落和过冲显著减小。

Description

一种半隔离四端口混合储能装置
技术领域
本发明属于混合储能技术领域，具体涉及一种半隔离四端口混合储能装置及控制方法。
背景技术
新能源发电被广泛的应用于新型的发电系统中。但是由于新能源发电系统受环境影响较大，各发电装置可能均根据各自实际情况设置了最大功率捕获(MPPT，MaximumPower Point Tracking)算法，其输出功率随着环境的变化而发生改变，且负载对功率的需求也总是在变化的，导致汇集在直流母线上的功率总是处于波动中的，所以在新能源发电系统中，仅含有新能源发电模块是远远不能满足需求的。在新能源发电系统中，多使用直流母线将各个模块连接在一起。所以直流母线多配有蓄电池，超级电容等储能装置与双向变换器组成的储能系统调节母线上的功率波动，并且将不同类型的波动分配给不同的储能系统进行处理。
混合储能系统是将不同种类的储能方式组合，通过分配设计，使得各储能装置均能高效工作，以此达到单一储能设备所不具有的性能。为了达到混合储能系统的控制目的，储能系统采用有源架构，即储能单元通过双向DC/DC变换器接入系统直流母线中，即新能源电源、负载、混合储能系统共母线。蓄电池的容量密度较大，但不能快速的充放电，循环寿命低，所以可以提供长时间的功率和电压支撑；超级电容的功率密度大，循环寿命长，响应速度快，所以可以吸收波动较快的功率。将锂电池和超级电容组合成复合储能系统，当新能源电源发生脉动时，超级电容可以在瞬时提供或吸收较大的功率波动，蓄电池通过双向变换器的控制以接近恒定电流的方式进行充放电。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半隔离四端口混合储能装置及控制方法。为了保证新能源发电系统中直流母线保持稳定，且能够给负载提供合适的电压，利用开关管的复用，将混合储能系统集成在移相全桥变换器中，即组成半隔离四端口变换器。并通过合理的控制方式，使得混合储能系统起到平抑母线电压波动，保持母线稳定的作用，移相全桥变换器根据负载需求提供合适的电压。
本发明的目的是这样实现的：
一种半隔离四端口混合储能装置将发电系统(直流母线)、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个变换器上，其主电路的全桥结构包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；第一开关管S1和第二开关管S2位于第一桥臂A上，第一开关管S1下端与第二开关管S2上端连接，桥臂中点连接电感LB的一端，电感LB的另一端连接储能蓄电池的正极，储能蓄电池的负极与第二开关管S2的下端连接，第一桥臂A两端并联直流母线电容Cdc；第三开关管S3和四开关管S4位于第二桥臂B上，第三开关管S3下端与第四开关管S4上端连接，桥臂中点连接电感LSC的一端，电感LSC的另一端连接超级电容，超级电容另一端与第四开关管S4的下端连接；储能元件、电感、直流母线电容和桥臂上的两个开关管组成双向Buck/Boost变换器，蓄电池与超级电容分别通过电感连接在全桥结构的桥臂中点，构成了并联在直流母线上的双向Buck/Boost变换器；位于第三桥臂C上的第一二极管D1，第二三极管D3和位于第四桥臂D上的第二二极管D2，第四二极管D4组成二极整流管，二极管整流管与变压器副边连接，第四桥臂D两端并联负载R。
一种半隔离四端口混合储能控制方法为：
(1)首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，其中重要的工作是程序中的各个电压控制器以及电流控制器的输出置零，输出脉冲信号置于低电位。新能源发电模块按照MPPT的进行控制；
(2)在程序运行时，需要首先根据实际需求设定母线电压和输出电压的指令值udcref、 uoref；
(3)控制系统接收到电压传感器VS1采样得到的实际母线电压udc，与母线电压指令值 udcref比较得到偏差量udce，偏差值udce送入电压控制器Gcv1，Gcv1输出总体的电流指令值iLref；
(4)CS3检测得到输出电流io，经过前馈控制器Gff得到前馈信号，与电感电流的指令值相加，得到修正的电感电流指令值，根据具体储能元件的特性，经过电流分配模块，分别得到超级电容的电流指令值iSCref和蓄电池iBref的电流指令值；
(5)根据电流分配模块输出的电流指令值iBref、iSCref分别与CS1和CS2测量的电流iSC、 iB进行比较得到偏差值iSCe、iBe，偏差值iSCe、iBe分别进入电流控制器GiSC、GiB，电流控制器输出得到两个调制信号dSC、dB；
(6)控制系统在步骤(3)、(4)运行时，同时进行输出电压的控制。VS2测量的实际输出电压uo与指令值uoref相比较，得到的偏差值uoe进入控制器Gcv2处理，Gcv2输出移相角
Figure BDA0001789159860000021
(7)移相角信号
Figure BDA0001789159860000022
使得两列载波具有一定的相位差，调制信号分别与两列载波相比较，最终得到四列具有不同占空比的脉冲序列；
(8)若没有得到停止信号，重复运行步骤(3)～(6)，直至得到停止信号。
本发明主要特点在于：通过对全桥结构开关管的复用实现了混合储能系统和移相全桥变换器的集成，同时具有平抑母线电压波动和满足负载的电压需求功能，负载电流前馈可以提高母线电压的动态性能，移相全桥变换器根据负载需求，将母线电压进行变换，供给负载使用。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的超级电容和蓄电池共同控制母线电压，将母线中波动较快的部分分配给超级电容补偿，而波动较慢的装置分配给蓄电池补偿，可以平抑母线电压波动；
(2)本发明通过开关管的复用，减少了功率器件和无源器件的使用，提高了功率密度和变换器的整体转换效率；
(3)本发明的电压动态性能有效的提高，在负载切换时，电压的跌落和过冲显著减小。
说明书附图
图1为一种半隔离四端口混合储能装置控制的执行流程；
图2为四端口半隔离混合储能装置及其控制结构示意图；
图3为电流分配模块的示意图；
图4为调制策略与原副边桥臂中点电压波形示意图；
图5为直流母线电压与输出电压波形图；
图6为蓄电池与超级电容的电流波形图；
图7为使用输出电流前馈和不适用输出电流前馈的母线电压对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
本发明提供的是一种适用于新能源发电系统中的半隔离四端口混合储能装置及其控制技术，能保持发电系统直流母线电压的稳定、平抑母线电压波动，并给负载提供合适的电压。新能源发电系统可能包括光伏太阳能发电装置、风力发电装置及潮汐能发电装置等，但由于这些新能源发电装置受环境影响较大，其输出功率总是处于波动中，当多个发电装置同时接入母线时，会导致母线上的电压波动。所以新能源发电系统中多配有由蓄电池与超级电容构成的混合储能装置来平抑母线电压波动。本专利提出一种半隔离四端口的混合储能装置，通过电感电流的分配和开关管的复用技术使得蓄电池和超级电容补偿不同频率分量的波动，从而达到保持母线稳定的目的，并使用一种输出电流前馈的控制策略，改善母线电压的动态性能。
所述混合储能装置将发电系统(直流母线)、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个变换器上。通过将全桥结构的开关管进行复用，使得所述装置具有了双向Buck/Boost 变换器(BBBC)和移相全桥变换器的功能。蓄电池与超级电容分别通过电感连接在全桥结构的桥臂中点，构成了并联在直流母线上的双向Buck/Boost变换器。蓄电池与超级电容具有双向传递功率的作用，通过适当的控制方法，将电压控制器输出的电感电流指令值按照不同的频带进行分配，达到了平抑母线电压波动、保持母线电压稳定的功能。并且使得全桥结构的桥臂A和桥臂B的开关管门级触发信号具有相位差，构成输入侧为直流母线的移相全桥变换器(PSFB)，满足负载的电压需求。输出电流的前馈控制策略，能够提高母线电压的动态性能。端口分布如图2所示，与传统的混合储能系统不同，传统混合储能系统通过两个双向 Buck/Boost变换器连接在直流母线上，本专利所述装置可以同时能够平抑母线电压波动和满足负载的电压需求。
结合图2，本发明的目的是这样实现的：
附图2中CS1、CS2为电流传感器，用于检测蓄电池和超级电容的输出/输入电流iB、iSC。 VS1、VS2为电压传感器，分别用于测量母线电压udc和输出电压uo。新能源发电模块采用MPPT的控制方式，根据实际环境可获取最大功率的指令值，使得发电模块向直流母线输出一定的功率。混合储能系统采用双环控制结构，直流母线电压指令udcref与VS1检测出的直流母线电压udc的偏差进入电压控制器Gcv1，输出电感电流的指令值iLref，CS3检测的输出电流io经过前馈控制器，作为前馈信号对电感电流的指令值进行修正，对修正后的电感电流指令值进行频带分配。如附图3所示，为电流分配模块，将波动较快的电流分配给超级电容处理，波动较慢的电流分配给蓄电池处理。电流偏差iSCe、iBe通过电流控制器GiSC、GiB，产生调制信号dSC、dB分别与两列载波比较，产生控制双向Buck/Boost的脉冲序列，变换器同一桥臂上下两管导通信号互补。输出电压的指令值uoref与VS2检测出的输出电压的偏差值进入输出电压控制器Gcv2，得到移相全桥的移相角
Figure BDA0001789159860000041
使得两列载波产生相位差，从而使得脉冲序列具有一定的相位差，在两桥臂中点合成具有一定宽度的电压脉冲，在变压器副边经过二极管整流与输出滤波，最终得到稳定的输出电压，供给负载使用。
1.对电感电流分配模块的说明
附图3为电感电流模块的示意图，与控制器类似，在数字处理器中使用离散函数实现。图中LPF为低通滤波器，根据实际需求设定频率的分界线，例如将LPF的转折频率设定为10Hz，则iLref经过LPF处理，则低于10Hz的参考电流被提取出来iBref，则有：
iBref＝fLPF(iLref)
而参考电流中的高频部分即为在全频段中减去低频的部分，则有：
iSCref＝iLref-fLPF(iLref)
由于蓄电池循环寿命低、不能频繁充放电的特性，则控制其处理低频电流的变化；超级电容的突出特点则是响应速度快，将快速变化的电流分配给超级电容处理。
2.混合储能装置的工作模式
根据新能源发电模块所产生的功率与负载所需求的功率之间的关系(忽略损耗)，混合储能装置具有四种工作模式，以附图2中所示，以储能元件的输出电流为正方向：
(1)当新能源发电模块输出功率充足时，则发电模块不仅向负载输出功率，也向混合储能装置供电，此时蓄电池与超级电容处于充电状态。此时的储能元件的电流为负，即：
iSC+iB＜0
(2)当新能源发电模块输出的功率不足以提供负载，则储能装置向负载输出功率，蓄电池与超级电容处于放电状态，此时储能元件的电流为正：
iSC+iB＞0
(3)当新能源发电模块停止工作时，混合储能装置起到后备电源的作用，可以短时间单独向负载供电，此时蓄电池与超级电容处于放电状态，储能元件的电流为正，即：
ipv＝0
iSC+iB＞0
(4)当新能源发电模块输出功率与负载所需功率相平衡时，储能元件不工作，仅由发电模块向负载提供能量，此时满足电流：
iSC+iB＝0
3.对开关管复用及调制方式的说明
如附图2所示，半隔离四端口变换器的四个开关管同时具有两种功能：(1)桥臂A、B之间产生一定的相位差，在副边整流得到一定宽度的电压脉冲，经过滤波输出得到稳定的输出电压。(2)储能元件、电感、直流母线电容和桥臂上的两个开关管组成双向Buck/Boost变换器，本专利中蓄电池和超级电容通过双向变换器与母线相连。
在变换器工作时，桥臂间的移相角控制输出电压，开关管的导通占空比控制母线电压及储能元件的电流，因此移相角与占空比需要满足以下条件：
Figure BDA0001789159860000051
Figure BDA0001789159860000052
其中，DB为桥臂A中S2的稳态占空比，DSC为桥臂B中S4的稳态占空比.当满足上述条件时，输出电压由DB、DSC、
Figure BDA0001789159860000053
共同决定。对移相全桥的输出电感Lo进行伏秒积平衡的分析可以得到输出电压的表达式：
Figure BDA0001789159860000054
其中ΔD＝DSC-DB
由上式可知，在稳态是当DB＝DSC，输出电压仅由移相角决定。
控制系统使用数字处理器器实现，调制采用双载波双调制的方式，如附图4所示，同一桥臂的上下两管开关信号互补。由于载波发生移相，所产生的脉冲序列具有一定的相位差。
4.对负载电流前馈控制的说明
如下式所示，为双向Buck/Boost变换器的小信号模型：
Figure BDA0001789159860000061
其中，
Figure BDA0001789159860000062
为输入电压，本专利中即为蓄电池或超级电容电压。
Figure BDA0001789159860000063
为双向Buck/Boost的输出电流，由小信号模型可以看出，输出电压
Figure BDA0001789159860000064
即母线电压受到输出电流变化的影响。例如在突加负载时，输出电流的突变会导致母线电压的跌落；突然减载时，输出电压会有过冲现象。在控制环路中，需要将输出电流前馈用来抵消输出电流变化对输出电压的影响。本专利中，双向Buck/Boost变换器的功率间接的供给负载，因此，选取移相全桥的输出电流作为前馈量，用来修正电感电流的指令值，来抵消输出电流的影响，如图2虚线框中所示，通过合适的前馈控制器，能够达到提高母线电压稳定的目的。
5.实验结果
采用专利所述的装置以及控制方法，控制直流母线的电压为48V，输出电压为20V。图 5所示为在负载进行突加和突减时的波形图，可以看出在负载发生变化时，直流母线电压和输出电压保持稳定。图6所示为蓄电池和超级电容的电流波形图，在负载发生突变的时，两者输出电流的反应速度明显不同，达到了频带分配的效果。且在0.6s之前和1s之后，储能装置处于充电状态，在0.6s～1s之间，储能系统处于放电状态。图7所示为使用输出电流前馈时的母线电压和不使用前馈控制的母线电压波形对比图，使用前馈控制，加载和减载时电压的跌落和过冲分别为0.5V和0.3V，而不使用输出电流前馈控制时，跌落和过冲由1.7V和1.5V，因此，输出电流前馈控制有效的提高了母线电压的动态特性。

Claims (1)

1.一种半隔离四端口混合储能装置，其特征在于：发电系统、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个变换器上，其主电路的全桥结构包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；第一开关管S1和第二开关管S2位于第一桥臂A上，第一开关管S1下端与第二开关管S2上端连接，桥臂中点连接电感LB的一端，电感LB的另一端连接储能蓄电池的正极，储能蓄电池的负极与第二开关管S2的下端连接，第一桥臂A两端并联直流母线电容Cdc；第三开关管S3和四开关管S4位于第二桥臂B上，第三开关管S3下端与第四开关管S4上端连接，桥臂中点连接电感LSC的一端，电感LSC的另一端连接超级电容，超级电容另一端与第四开关管S4的下端连接；储能元件、电感、直流母线电容和桥臂上的两个开关管组成双向Buck/Boost变换器，蓄电池与超级电容分别通过电感连接在全桥结构的桥臂中点，构成了并联在直流母线上的双向Buck/Boost变换器；位于第三桥臂C上的第一二极管D1，第三二极管D3和位于第四桥臂D上的第二二极管D2，第四二极管D4组成整流桥，整流桥与变压器副边连接，第四桥臂D两端并联负载R；
半隔离四端口混合储能控制方法，包括：
(1)系统上电，初始化系统控制相关的软件和硬件，将程序中的各个电压控制器以及电流控制器的输出置零，输出脉冲信号置于低电位；
(2)运行程序，根据实际需求设定母线电压的指令值udcref和输出电压的指令值uoref；
(3)将控制系统接收到电压传感器VS1采样得到的实际母线电压udc，与母线电压指令值udcref比较得到偏差量udce；将偏差值udce送入电压控制器Gcv1；Gcv1输出总体的电流指令值iLref；
(4)电流传感器CS3检测得到输出电流io经过前馈控制器Gff得到前馈信号，与电感电流的指令值iLref相加，得到修正的电感电流指令值，经过电流分配模块，分别得到超级电容的电流指令值iSCref和蓄电池iBref的电流指令值；
(5)将电流分配模块输出的电流指令值iBref与电流传感器CS1测量的电流iB进行比较得到偏差值iBe；将电流指令值iSCref和电流传感器CS2测量的电流iSC进行比较得到偏差值iSCe；偏差值iSCe进入电流控制器GiSC，输出得到调制信号dSC；偏差值iBe进入电流控制器GiB，输出得到调制信号dB；
(6)控制系统在步骤(3)、(4)运行时，同时进行输出电压的控制；将电压传感器VS2测量的实际输出电压uo与指令值uoref相比较，得到的偏差值uoe进入控制器Gcv2处理，Gcv2输出移相角φ；
(7)将两列载波根据移相角信号φ进行移相，将调制信号分别与两列载波相比较，最终得到四列具有不同占空比的脉冲序列；
(8)若没有得到停止信号，重复运行步骤(3)～(7)，直至得到停止信号；
所述的电流分配模块在数字处理器中使用离散函数实现，电流分配模块将低频变化的电分配给蓄电池处理，将快速变化的电流分配给超级电容处理；
所述的移相角与占空比满足条件为：
Figure FDA0003271383720000021
Figure FDA0003271383720000022
其中，DB为桥臂A中S2的稳态占空比，DSC为桥臂B中S4的稳态占空比。
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直流微电网母线电压波动分类及抑制方法综述;王成山 等;《中国电机工程学报》;20170105;第37卷(第1期);第84-94页 *

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