CN109245318B - 一种集成四端口混合储能装置及其控制方法 - Google Patents

一种集成四端口混合储能装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种集成四端口混合储能装置及其控制方法，属于混合储能技术领域。本发明将发电模块、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个全桥变换器中，新能源发电模块如光伏模块通过LC滤波器直接与全桥变换器相连，过MPPT模块计算出所需要的最大电流作为参考，通过控制全桥变换器两桥臂导通信号之间的移相角控制新能源发电模块的输出电流。蓄电池与超级电容分别通过电感与桥臂中点相连，组成了双向Buck/Boost变换器，通过对全桥变换器开关管占空比的控制，来保持输出电压的稳定。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，同时新能源发电模块有最大功率输出且能平抑母线电压波动。

Description

一种集成四端口混合储能装置及其控制方法
技术领域
本发明属于混合储能技术领域，具体涉及一种适用于新能源发电系统中的集成四端口混合储能装置及其控制方法。
背景技术
如今分布式发电系统以良好灵活性，冗余性等特点被广泛应用，而新能源发电系统作为分布式系统中的发电模块之一。如今能源短缺与环境污染问题日益严重，而新能源发电使用清洁能源产生电能，能够有效的缓解能源短缺与环境污染问题。但新能源发电受到环境的变化的限制较大，比如风能、太阳能、潮汐能，新能源发电系统多通过直流母线接入分布式系统中，由于环境变化，新能源发电系统的输出功率也会随之变化，会导致直流母线上的电压发生波动，如果不采取有效的措施，就会导致整个系统的不稳定。
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。在新能源发系统中，多使用混合储能的方式来平抑直流母线电压的波动，保持直流母线的电压稳定。储能元件大多使用双向直流变换器并联在直流母线上，如双向Buck/Boost变换器。通过合理的功率分配与控制方法，将不同频带特性的功率分配给不同的储能元件进行处理。将锂电池和超级电容组合成复合储能系统，当新能源电源发生波动时，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适用于新能源发电系统中的集成四端口混合储能装置及其控制方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种集成四端口混合储能装置，新能源发电模块、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个全桥变换器中，新能源发电模块如光伏模块通过LC滤波器直接与全桥变换器相连；蓄电池与超级电容分别通过电感与桥臂中点相连，组成了双向Buck/Boost变换器；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；位于第三桥臂上的第一二极管D1，第三二极管D3和位于第四桥臂上的第二二极管D2，第四二极管D4组成二极整流管，二极管整流管一端与变压器副边连接，另一端通过电感Lf和电容Cf与负载R相连。
所述集成四端口混合储能装置有三种工作模式：单输入双输出模式、单输入单输出模式、双输入单输出模式。
一种集成四端口混合储能控制方法，包括以下步骤：
(1)系统上电初始化，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udcref；
(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，与母线电压参考值udcref比较得到偏差量udce，将偏差值udce送入电压控制器Gcv1，Gcv1输出总体的电流参考值iLref，经过电流分配模块，得到超级电容的电流参考值iSCref和蓄电池iBref的电流参考值；
(4)根据电流分配模块输出的电流参考值iBref与CS2测量的电流iB进行比较得到偏差值iBe，偏差值iBe进入电流控制器GiB，电流控制器输出得到占空比调制信号dB；根据电流分配模块输出的电流参考值iSCref与CS3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，电流控制器输出得到占空比调制信号dSC；
(5)控制系统在步骤(3)、(4)运行的同时，新能源发电系统的MPPT模块根据环境条件实时算出最大的输出电流参考值ioutref，与CS1检测到的输出电流iout比较得到偏差值，将电流偏差值送入电流控制器Gcc得到载波的移相信号
Figure BDA0001786076720000021
(6)移相角信号
Figure BDA0001786076720000022
使得两列载波具有一定的相位差，调制信号dSC、dB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；
(7)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。
所述电流分配模块与控制器类似，在数字处理器中使用离散函数实现，将低频变化的电流分配给蓄电池处理，将快速变化的电流分配给超级电容处理。
本发明的特点在于：通过对全桥结构开关管的复用，实现了混合储能系统和新能源发电模块集成在一个四端口变换器，同时具有新能源发电模块最大功率输出和平抑母线电压波动的功能。
本发明的有益效果在于：
(1)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。
(2)电流型移相全桥变换器根据MTTP模块输出的电流参考值，使得新能源发电模块输出功率最大。
(3)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，而波动较慢的部分分配给蓄电池，达到平抑电压波动的目的。
附图说明
图1为集成四端口混合储能控制方法流程图；
图2为集成四端口混合储能装置及其控制结构示意图；
图3为新能源模块输出电流控制框图；
图4为电流分配模块的示意图；
图5为新能源发电模块输出电流波形图；
图6为蓄电池与超级电容的输出电流波形图；
图7为直流母线电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步详细描述。
结合图1，对本发明所述控制方法执行的流程图说明如下。
(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。
(2)在程序运行时，需要首先根据系统实际的需求设定母线电压udcref。
(3)继而，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，与母线电压参考值udcref比较得到偏差量udce，偏差值udce送入电压控制器Gcv1，Gcv1输出总体的电流参考值iLref，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参考值iSCref和蓄电池iBref的电流参考值。
(4)根据电流分配模块输出的电流参考值iSCref、iBref分别与CS2和CS3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占空比调制信号dSC、dB。
(5)控制系统在步骤(3)、(4)运行的同时，新能源发电系统的MPPT模块根据环境条件实时算出最大的输出电流参考值ioutref，与CS1检测到的输出电流iout的比较得到偏差值，电流偏差值送入电流控制器Gcc得到载波的移相信号
Figure BDA0001786076720000031
(6)移相角信号
Figure BDA0001786076720000032
使得两列载波具有一定的相位差，调制信号dSC、dB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。
(7)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。
结合图2，本发明的目的是这样实现的：
附图2中CS2、CS3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为电压传感器，用于测量母线电压udc。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输出电流的参考值ioutref，与CS1检测到的输出电流iout的偏差值送入电流控制器Gcc，得到移相全桥的移相角
Figure BDA0001786076720000041
使得两列载波产生相位差，从而两桥臂开关管的脉冲序列具有一定的相位差，使得发电模块向直流母线输出最大的功率。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，对此电流指令值进行频带分配。如附图4所示，为电流分配模块，其中iBref＝fLPF(iLref)，即波动较慢的电流分配给蓄电池处理，iSCref＝iLref-fLPF(iLref)，将波动较快的电流分配给超级电容处理，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。
1.对新能源发电模块电流控制环路的说明
如附图3所示，为新能源发电模块输出电流的控制框图，其中，GLPF(s)为采样滤波环节，Gii(s)为移相全桥变换器输入电流iin到新能源发电模块输出电流iout的传递函数，
Figure BDA0001786076720000045
为移相角
Figure BDA0001786076720000046
到输入电流iin的传递函数，如下所示。
Figure BDA0001786076720000042
Figure BDA0001786076720000043
Rd＝4N2Llkfs
其中，N表示高频变压器的匝数比，Llk为变压器绕组的漏感，fs为开关频率，D表示全桥变换器的等效占空比。
控制系统的前向通道的传递函数可以表示为：
Figure BDA0001786076720000044
其中Gcc(s)为输出电流控制器，在设计控制器Gcc(s)的时候不仅要考虑移相全桥变换器的传递函数，还要考虑到LC滤波器的影响。LC滤波器的参数选择也十分重要，需要保证发电模块的输出电流连续，并且电流经过滤波器时不会被谐振放大，从而造成电流的急剧振荡，LC滤波器的谐振频率对系统的带宽也有影响，谐振频率过高会导致系统的带宽过高，从而控制系统中会含有较多的高频噪声，而谐振频率过低时，滤波器的电感与电容的体积又会太大，影响整体的功率密度。因此需要多方面综合考虑，选定合适的滤波参数和控制参数，控制器的形式可以是PI控制器或超前—滞后控制器，只要能够保证控制系统具有合适的带宽，且具有足够的相位裕度和幅值裕度即可。
2.集成四端口混合储能装置的工作模式
由于环境的影响，新能源发电模块的输出功率Ps会发生变化，而负载所需的功率Po也由实际情况的变化而改变。负载与发电模块之间的功率关系总是不能保持平衡，所以直流母线上存在着电压波动，这些波动都由混合储能元件吸收，混合储能元件包括蓄电池与超级电容。以发电模块输出功率、储能元件输出功率、负载消耗功率为正，则有如下关系：
PB+PSC＝-(Ps-Po)
根据新能源发电模块输出功率与负载的功率大小关系，集成四端口混合储能装置具有三种工作模式：
(1)单输入双输出模式：此时发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps＝-PB-PSC+Po
新能源发电模块输出的功率大于负载所需的功率，发电模块输入的剩余能量对储能元件进行充电，即新能源发电模块同时向负载和储能元件供电，此时的储能元件也作为发电模块的负载。此时储能元件的电流有如下关系：
iSC+iB＜0
(2)单输入单输出模式：此时发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps＝Po
PB+PSC＝0
新能源发电模块输出的功率与负载所需的功率相同，储能元件不工作，此时储能元件的电流满足如下关系：
iSC+iB＝0
(3)双输入单输出模式：此时发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps+PB+PSC＝Po
新能源发电模块按照MPPT的方式输出功率，由于环境影响输出的最大功率可能不足以供给负载使用，需要储能元件提供一部分能量，蓄电池处于放电状态，超级电容吸收高频的波动量。发电模块和储能元件都作为电流源向直流母线输出能量，储能元件的电流满足如下关系：
iSC+iB＞0
3.对分频模块的说明
附图4为电流分配模块的示意图，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5Hz，则iLref经过LPF处理，则低于5Hz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。
4.仿真结果
采用本发明所述的装置以及控制方法，控制直流母线的电压为24V，新能源发电模块跟踪MPPT模块计算出最大电流参考值，向直流母线输出一定的功率。图5为新能源模块的输出电流波形，假定MPPT模块计算输出电流参考值在0.8s和1.2s变化时，发电模块实际的输出电流可以很快的跟踪参考电流。图6所示为蓄电池和超级电容的电流波形图，在发电模块输出功率发生变化时，两者输出电流的反应速度明显不同，达到了电感电流分配的效果。在0.4s～0.8s与1.2s～1.6s之间储能装置处于放电状态，0.8s～1.2s之间储能装置处于充电状态。图7为直流母线电压波形，直流母线在新能源模块输出功率变化时，依然能够保持稳定的电压。

Claims (1)

1.一种集成四端口混合储能装置，其特征在于：新能源发电模块、蓄电池、超级电容、负载分别作为端口集成在一个全桥变换器中，新能源发电模块如光伏模块通过LC滤波器直接与全桥变换器相连；蓄电池与超级电容分别通过电感与桥臂中点相连，组成了双向Buck/Boost变换器；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；位于第三桥臂上的第一二极管D1，第三二极管D3和位于第四桥臂上的第二二极管D2，第四二极管D4组成整流桥，整流桥一端与变压器副边连接，另一端通过电感Lf和电容Cf与负载R相连；变压器的原边同名端与隔直电容Cb的一端连接，隔直电容Cb的另一端与移相全桥变换器一个桥臂的中点连接，该桥臂中点同时与电感LB的一端连接，LB的另一端与储能电池正极连接，储能电池的负极与PV系统输出端LC滤波器的负极连接在一起；变压器的原边异名端与移相全桥变换器另一个桥臂的中点连接，该桥臂中点同时与电感LSC的一端连接，LSC的另一端与超级电容的正极连接，超级电容的负极与PV系统输出端LC滤波器的负极连接在一起；
所述集成四端口混合储能装置的控制方法，包括以下步骤：
(1)系统上电初始化，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udcref；
(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，与母线电压参考值udcref比较得到偏差量udce，将偏差值udce送入电压控制器Gcv1，Gcv1输出总体的电流参考值iLref，经过电流分配模块，得到超级电容的电流参考值iSCref和蓄电池的电流参考值iBref；
(4)根据电流分配模块输出的电流参考值iBref与电流传感器CS2测量的蓄电池的输出/输入电流iB进行比较得到偏差值iBe，偏差值iBe进入电流控制器GiB，电流控制器输出得到占空比调制信号dB；根据电流分配模块输出的电流参考值iSCref与电流传感器CS3测量的超级电容的输出/输入电流iSC进行比较得到偏差值iSCe，偏差值iSCe进入电流控制器GiSC，电流控制器输出得到占空比调制信号dSC；
(5)控制系统在步骤(3)、(4)运行的同时，新能源发电系统的MPPT模块根据环境条件实时算出最大的输出电流参考值ioutref，与电流传感器CS1检测到的新能源发电模块输出电流iout比较得到偏差值，将电流偏差值送入电流控制器Gcc得到载波的移相角信号
Figure FDA0003411938220000011
(6)移相角信号
Figure FDA0003411938220000021
使得两列载波具有一定的相位差，调制信号dSC、dB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；
(7)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；
新能源发电模块输出电流的控制
Figure FDA0003411938220000022
Figure FDA0003411938220000023
Rd＝4N2Llkfs
GLPF(s)为采样滤波环节，Gii(s)为移相全桥变换器输入电流iin到新能源发电模块输出电流iout的传递函数，
Figure FDA0003411938220000024
为移相角信号
Figure FDA0003411938220000025
到输入电流iin的传递函数；
所述电流分配模块在数字处理器中使用离散函数实现，将低频变化的电流分配给蓄电池处理，将快速变化的电流分配给超级电容处理；
所述集成四端口混合储能装置有三种工作模式：单输入双输出模式、单输入单输出模式、双输入单输出模式；
单输入双输出模式：发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps＝-PB-PSC+Po
新能源发电模块输出的功率大于负载所需的功率，发电模块输入的剩余能量对储能元件进行充电，即新能源发电模块同时向负载和储能元件供电，此时的储能元件也作为发电模块的负载；此时储能元件的电流有如下关系：
iSC+iB＜0
单输入单输出模式：发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps＝Po
PB+PSC＝0
新能源发电模块输出的功率与负载所需的功率相同，储能元件不工作，此时储能元件的电流满足如下关系：
iSC+iB＝0
双输入单输出模式：发电模块输出功率、负载功率、混合储能元件输出功率满足如下关系：
Ps+PB+PSC＝Po
新能源发电模块按照MPPT的方式输出功率，蓄电池处于放电状态，超级电容吸收高频的波动量；发电模块和储能元件都作为电流源向直流母线输出能量，储能元件的电流满足如下关系：
iSC+iB＞0。
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