CN110098660A - 一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，本发明所述控制方法主要包括外环的SoC均衡控制及内环的电压电流控制，其中外环实现蓄电池SoC的均衡，内环控制则由电压、电流闭环调节构成，并在引入虚拟阻抗控制的基础上实现了混合储能系统的功率分配以及变换器输出电压的稳定。本发明所提出的控制方法简单有效，易于实现模块化设计，并且在实现混合储能元件SoC均衡的同时实现了系统输出电压的稳定。

Description

一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法

技术领域

本发明属于变换器控制技术领域，特别是涉及一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法。

背景技术

在直流电力系统中，超级电容和蓄电池相互结合而形成的混合储能系统能有效缓解电力系统中的功率波动，并能提升储能系统的输出性能以及使用寿命。为了满足更高电压等级的直流电力系统的需求，需要将混合储能三端口变换器输出侧进行串联连接，但会引入串联混合储能三端口变换器中储能元件荷电状态(SoC)不均衡以及各变换器之间输出电压不一致等问题，并会对整个系统的稳定运行造成影响。

针对输出串联结构下的直流储能系统，有学者提出一种主从控制策略来实现超级电容的SoC均衡。其中主控制环路用于实现母线电压稳定，其输出的电流控制量与SoC调节控制器的输出相结合作为电流内环的给定参考值，最后通过占空比调节实现控制目标。在该控制策略下，具有更高SoC的超级电容会在控制环路中产生更大的电流参考值，并通过调节占空比增大电流，直到各模块间超级电容的SoC实现均衡。但该控制方法实现较为复杂，且仅实现了传统两端口变换器中超级电容的SoC均衡，并不适用于同时包含蓄电池和超级电容的串联混合储能系统。

发明内容

本发明目的是为了实现串联混合储能三端口变换器中蓄电池SoC均衡以及超级电容SoC自恢复，同时保证均衡过程中变换器总输出电压始终保持稳定，本发明提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法。本发明所述控制方法主要包括外环的SoC均衡控制及内环的电压电流控制，其中外环实现蓄电池SoC的均衡，内环控制则由电压、电流闭环调节构成，并在引入虚拟阻抗控制的基础上实现了混合储能系统的功率分配以及变换器输出电压的稳定。本发明所提出的控制方法简单有效，易于实现模块化设计，并且在实现混合储能元件SoC均衡的同时实现了系统输出电压的稳定。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值v_ref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。

进一步地，在SoC外环均衡控制中，单台变换器中蓄电池控制部分产生的高压侧参考值v^* _hbai表示如下：

其中v_ref为变换器初始电压参考值，v_hbai为第i个蓄电池环路中SoC均衡校正后的高压侧电压参考值，i_bai为第i个变换器的蓄电池端输出电流，L_v为虚拟电感参数，k表示SoC均衡控制环路的均衡系数，SoC_i是第i个变换器的蓄电池荷电状态，SoC参考值即SoC_ref则为串联三端口变换器中所有蓄电池SoC的平均值，其表示如下：

其中n表示蓄电池个数。

进一步地，根据式(2)中所选取的SoC参考值，得到式(3)所示的等式关系：

由式(3)可见在整个均衡调节过程中蓄电池环路电压参考值之和始终是恒定的，从而保证了串联混合储能三端口变换器的输出电压值保持恒定。

进一步地，根据占空比稳压控制环路得到单台变换器中超级电容控制部分产生的高压侧参考值v^* _hsci的表达式：

其中i_sci是第i个变换器的超级电容端输出电流，C_v为虚拟电容参数；

由于超级电容控制部分产生的高压侧参考值在电压调节稳定且负载稳定后满足v^* _hsci＝v_ref，进一步得到：

。

进一步地，根据超级电容SoC的定义得到从输出电压开始调节直至稳定这段时间内超级电容SoC的变化量：

其中Q_c为超级电容的容量，分析式(6)可以看出超级电容SoC在虚拟电容控制下可以实现自恢复而不需要加入额外的控制。

本发明的有益效果为：本发明所述控制方法在虚拟阻抗功率控制的基础上，通过引入外环SoC均衡控制实现各变换器蓄电池间的SoC均衡和超级电容的SoC自恢复，同时保证了串联系统输出电压的稳定。该控制方法可有效解决由于串联变换器中蓄电池SoC不均衡所导致的串联混合储能三端口变换器稳定运行变差问题，同时保证了当直流电力系统负载侧发生变化时蓄电池和超级电容能分别响应其低频和高频功率变化，并在负载稳定后实现超级电容的SoC自恢复。

附图说明

图1为本发明所采用的串联混合储能三端口变换器拓扑结构图；

图2为本发明所述的串联混合储能三端口变换器荷电状态均衡控制方法框图；

图3为本发明所述均衡控制下串联混合储能三端口变换器工作波形图；

图4为多次切载情况下串联混合储能三端口变换器工作波形图；

图5为切重载时串联混合储能系统工作波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，在实现单台混合储能三端口变换器中蓄电池和超级电容之间合理的功率分配的基础上，利用外环SoC控制保证了在不影响单台变换器功率分配控制的前提下实现串联混合储能三端口变换器中蓄电池SoC均衡、超级电容SoC自恢复以及输出电压稳定等功能，并且无需额外的串联系统稳压控制。

图1为以两个三端口混合储能变换器串联为例的串联变换器拓扑结构图，其中每个变换器的端口1接蓄电池，端口2接超级电容，端口3则串联后接直流负载。三端口混合储能变换器中各端口间的功率传输通过移相-占空比控制实现，以变换器#1为例，高压侧超级电容与输出侧的功率传输通过控制开关管S_1-5与S_1-6间和S_1-7与S_1-8间的占空比D来实现，低压侧蓄电池与输出侧的功率传输则通过控制原边开关管S_1-1和副边开关管S_1-5之间的移相角φ实现。在变换器#1中，v_ba1和v_sc1分别为蓄电池和超级电容电压，v_o1和v_o则分别为单台变换器输出电压和串联总输出电压。另外C_1-1、C_1-2及C_o1分别表示蓄电池、超级电容及输出端口的稳压电容，L_k1为功率传输电感并且其对应电流为i_Lk1，L_1-1和L_1-2则表示交错并联电感，其电流分别为i_L1-1和i_L1-2。i_ba1、i_sc1和i_o分别代表蓄电池输出电流、超级电容输出电流以及负载电流，n＝N_1-1/N_1-2代表变压器匝比，R为负载电阻，变换器#2中的对应物理量含义与变换器#1类似。在串联混合储能三端口变换器中，蓄电池在稳态时作为主要的出力元件承担负载的所有功率输出，而蓄电池间可能存在的SoC不一致的问题会导致变换器无法正常提供功率，并进而使整个串联系统崩溃；超级电容仅在负载变化时提供瞬态功率，因此仅需考虑超级电容在释放/吸收功率后其SoC的自恢复，无需考虑不同超级电容之间的SoC均衡问题。

将上述两台混合储能三端口变换器串联推广到n台变换器串联后，图2为所发明的串联混合储能三端口变换器荷电状态均衡控制方法框图，其中TPCn表示第n台上述混合储能三端口变换器，图中L_vs和C_vs分别表示虚拟电感环节和虚拟电容环节，其中L_V为虚拟电感系数，C_V为虚拟电容系数，s为拉普拉斯算子，i^* _o为双闭环调节中电压调节器的输出结果，该结果作为电流调节器的输入电流参考值。本发明提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值v_ref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。图2中电压调节器、电流调节器、SoC调节器均可由PI调节器实现。

在SoC外环均衡控制中，单台变换器中蓄电池控制部分产生的高压侧参考值v^* _hbai表示如下：

其中v_ref为变换器初始电压参考值，v_hbai为第i个蓄电池环路中SoC均衡校正后的高压侧电压参考值，i_bai为第i个变换器的蓄电池端输出电流，L_v为虚拟电感参数，k表示SoC均衡控制环路的均衡系数，SoC_i是第i个变换器的蓄电池荷电状态，SoC参考值SoC_ref则为串联三端口变换器中所有蓄电池SoC的平均值，其表示如下：

其中n表示蓄电池个数。

其SoC均衡调节原理可如下描述：在稳态时，超级电容端由于虚拟阻抗的作用无功率输出，此时若蓄电池SoC存在差异，以SoC₁>SoC₂为例，则蓄电池#1控制环路相应产生的输出电压参考值v_hba1大于v_hba2，并且由于串联结构下输出电流一致，因此将输出更大的功率，并最终使SoC趋于均衡。另外对于均衡系数k，该值较大时能得到更大的参考电压差值Δv_hbai，从而使得不同变换器的控制量移相角差额增加，因此能够加速蓄电池SoC的均衡速度，但是若系数k过大则容易导致各变换器的输出电压在调节过程中出现大幅的跌落或上升，易造成系统不稳定；反之当系数k较小时会得到较小的移相角差值，SoC均衡速度也因此较慢。

根据式(2)中所选取的SoC参考值，得到式(3)所示的等式关系：

由式(3)可见在整个均衡调节过程中蓄电池环路电压参考值之和始终是恒定的，从而保证了串联混合储能三端口变换器的输出电压值保持恒定。

根据占空比稳压控制环路得到单台变换器中超级电容控制部分产生的高压侧参考值v^* _hsci的表达式：

其中i_sci是第i个变换器的超级电容端输出电流，C_v为虚拟电容参数；

由于超级电容控制部分产生的高压侧参考值在电压调节稳定且负载稳定后满足v^* _hsci＝v_ref，进一步得到：

根据超级电容SoC的定义，SoC为储能器件荷电状态的英文缩写(State ofCharge)，得到从输出电压开始调节直至稳定这段时间内超级电容SoC的变化量：

其中Q_c为超级电容的容量，分析式(6)可以看出超级电容SoC在虚拟电容控制下可以实现自恢复而不需要加入额外的控制。

为了验证所发明的串联混合储能三端口变换器荷电状态均衡控制方法的有效性，以两个变换器串联为例，在PLECS仿真软件环境下搭建了串联混合储能三端口变换器控制仿真模型，并且使用了以下参数：v_ba1＝v_ba2＝24V，v_sc1＝v_sc2＝100V，v_o1＝v_o2＝400V，n_1-1/n_1-2＝n_2-1/n_2-2＝25/3，开关频率f＝40kHz，负载电阻R＝400Ω，初始输出电压参考值v_ref＝400V,原边功率传输电感L_k1＝L_k2＝2uH，蓄电池初始荷电状态为SoC₁＝0.9,SoC₂＝0.85,容量设为1Ah。

图3所示为采用所发明均衡控制下蓄电池SoC变化波形及变换器输出电压电流波形。从图3(b)中可以看出在t＝1.2s引入均衡控制后，由于SoC₁>SoC₂使得相应的蓄电池控制环路输出电压参考值v_ba1大于v_ba2，因此在该情况下变换器#1将输出更大的功率，并且结合图3(a)中可见蓄电池SoC₁相较于SoC₂下降更快，并最终趋于均衡。与此同时，各变换器输出电压也趋于相等，而在整个调节过程中串联系统的输出电压在微小的波动后始终保持稳定，与理论分析一致。

此外，为验证在SoC均衡的过程中混合储能元件功率分配控制不受影响，进行了串联混合储能系统在不同输出工况下的仿真验证。对应仿真结果如图4所示，在仿真过程中负载在R＝400Ω与R＝300Ω之间相互切换，从蓄电池和超级电容侧电流波形可以看出蓄电池响应了低频功率波动而超级电容则响应了高频功率波动，说明蓄电池均衡控制与虚拟阻抗控制能够协调运行。此外，从图4(e)和(f)可以看出，超级电容在负载发生多次波动后可自动进行充电或放电，从而使得其SoC得到自恢复。

进一步，在串联混合储能三端口变换器连续切重载情况下验证储能元件SoC均衡效果、系统稳压性能以及混合储能功率分配效果。具体仿真波形如图5所示，在t＝3s时负载由400Ω切换至250Ω并进一步在t＝5s时将负载电阻降低到200Ω。通过SoC均衡波形可以看出相比于图4，在重载下SoC均衡速度加快，并于t＝5.8s左右达到基本均衡；通过图5(b)中的仿真结果可以观察到系统输出电压在切重载过程中存在一定的暂态波动，但能够迅速回调，并使得系统输出电压稳定在给定值。此外，通过图5(c)可以看出，在切载过程中，超级电容能迅速提供瞬态功率补偿，并在稳态时逐渐不再输出功率，蓄电池则承担稳态的全部功率。

本发明所述控制方法主要包括外环SoC均衡控制以及结合虚拟阻抗的电压电流内环控制。其中外环SoC均衡控制根据串联系统中不同蓄电池SoC输出相应的均衡控制量，并对蓄电池稳压环路的电压参考值进行修正，通过改变变换器输出电压来调整蓄电池的充放电速度，从而实现不同蓄电池间的SoC均衡。内环控制则包括移相稳压控制以及占空比稳压环路，通过控制移相角和占空比来稳定变换器输出电压，同时结合虚拟阻抗控制实现超级电容和蓄电池吸收或发出功率的合理分配。

以上对本发明所提供的一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，其特征在于：所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值v_ref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在SoC外环均衡控制中，单台变换器中蓄电池控制部分产生的高压侧参考值v^* _hbai表示如下：

其中v_ref为变换器初始电压参考值，v_hbai为第i个蓄电池环路中SoC均衡校正后的高压侧电压参考值，i_bai为第i个变换器的蓄电池端输出电流，L_v为虚拟电感参数，k表示SoC均衡控制环路的均衡系数，SoC_i是第i个变换器的蓄电池荷电状态，SoC参考值即SoC_ref则为串联三端口变换器中所有蓄电池SoC的平均值，其表示如下：

其中n表示蓄电池个数。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：根据式(2)中所选取的SoC参考值，得到式(3)所示的等式关系：

由式(3)可见在整个均衡调节过程中蓄电池环路电压参考值之和始终是恒定的，从而保证了串联混合储能三端口变换器的输出电压值保持恒定。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：根据占空比稳压控制环路得到单台变换器中超级电容控制部分产生的高压侧参考值v^* _hsci的表达式：

其中i_sci是第i个变换器的超级电容端输出电流，C_v为虚拟电容参数；

由于超级电容控制部分产生的高压侧参考值在电压调节稳定且负载稳定后满足v^* _hsci＝v_ref，进一步得到：

。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：根据超级电容SoC的定义得到从输出电压开始调节直至稳定这段时间内超级电容SoC的变化量：

其中Q_c为超级电容的容量，分析式(6)可以看出超级电容SoC在虚拟电容控制下可以实现自恢复而不需要加入额外的控制。