CN110460080B - 一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法 - Google Patents

一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法，包括储能元件和电压补偿器，所述储能元件与所述电压补偿器串联接入到直流电源；所述电压补偿器包括辅助储能元件、变换器和电感，所述辅助储能元件的正极和负极之间连接所述变换器，所述变换器与所述储能元件间串联所述电感；所述变换器包括第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与储能元件的负极之间连接电感，所述第二输出端子连接至直流电源的负极；本发明采用辅助储能元件对储能元件的输出进行补偿，电压补偿型电池储能变换器的传输功率为补偿功率，补偿功率远小于储能元件的全功率，以此降低成本和损耗。

Description

一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及储能变换器技术领域，具体地，涉及一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法。
背景技术
目前，在不同充放电状态下，储能元件(电池或超级电容)的电压存在一定范围的波动，为了得到稳定的直流电压，一般采用BUCK-BOOST(升压/降压)电路实现稳压，BUCK/BOOST变换电路也称升降压式变换电路，是一种输出电压既可低于也可高于输入电压的单管不隔离直流变换器。BUCK/BOOST变换电路可看作是BUCK变换电路和BOOST变换电路串联而成，合并了开关管。
BUCK/BOOST变换电路的传输功率为储能元件的全功率，并且采用BUCK-BOOST电路的功耗较高，BUCK-BOOST电路的转换效率较低，因而直接提高了储能元件工作的成本和损耗。
发明内容
本发明目的是提供了一种电压补偿型电池储能变换器及其控制方法，从而有效降低储能元件工作的成本和损耗的技术问题。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种电压补偿型电池储能变换器，包括储能元件和电压补偿器，所述储能元件与所述电压补偿器串联接入到直流电源；
所述电压补偿器包括：辅助储能元件、变换器和电感，所述辅助储能元件的正极和负极之间连接所述变换器，所述变换器与所述储能元件之间串联所述电感；
所述变换器包括：第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与储能元件的负极之间连接电感，所述第二输出端子连接至直流电源的负极。
优选的，所述变换器为全桥变换器、双电平变换器、三电平变换器以及多电平变换器中的任意一种。
优选的，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管的发射极连接至所述第二开关管的集电极，所述第一开关管和所述第二开关管构成所述全桥变换器的第一桥臂；所述第三开关管的发射极连接至所述第四开关管的集电极，所述第三开关管和所述第四开关管构成所述全桥变换器的第二桥臂；所述第一开关管的集电极连接至所述辅助储能元件的正极，所述第二开关管的发射极连接到所述辅助储能元件的负极；所述第一开关管和所述第二开关管之间形成第一节点；所述第三开关管和所述第四开关管之间形成第二节点。
优选的，所述第一节点连接到所述第一输出端子，所述第二节点连接到所述第二输出端子。
优选的，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管均反向并联二极管。
优选的，所述直流电源为直流母线或直流电网。
根据上述的电压补偿型电池储能变换器的控制方法，包括：
当对所述储能元件恒流充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节充电电流大小；
当对所述储能元件恒流放电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节放电电流大小；
当所述储能元件的输出电压和所述直流电源的电压不相等时，控制所述变换器进行电压补偿；
当所述辅助储能元件需要充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，对辅助储能元件进行充电。
优选的，当所述储能元件恒流充电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第四开关管截止，并控制所述第三开关管的导通时间，控制充电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第一开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第二开关管的导通时间，控制充电电流的大小；
当所述储能元件恒流放电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第四开关管的导通时间，控制放电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第二开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第一开关管的导通时间，控制放电电流的大小。
优选的，所述电压补偿包括正电压补偿和负电压补偿；
当所述储能元件的输出电压小于所述直流电源电压时，控制所述全桥变换器进行正电压补偿；
当所述储能元件的输出电压大于所述直流电源电压时，控制所述全桥变换器进行负电压补偿。
优选的，当所述辅助储能元件需要充电时，控制所述全桥变换器的第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第一开关管和所述第四开关管同时导通的时间，调节充电电流的大小。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本发明采用辅助储能元件对储能元件的输出进行补偿，电压补偿型电池储能变换器的传输功率为补偿功率，补偿功率远小于储能元件的全功率，以此降低成本和损耗。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1示出了电压补偿型电池储能变换器接入直流电网的示意图；
图2示出了电压补偿型电池储能变换器接入交流电网的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本申请实施例提供了一种电压补偿型电池储能变换器，包括储能元件和电压补偿器，所述储能元件与所述电压补偿器串联接入到直流电源，直流电源可以为直流母线也可以为直流电网，需要说明的是，对于本领域技术人员来说，直流母线可以通过双向DC/AC变换器连接交流电网建立，以此是该电压补偿型电池储能变换器间接与交流电网连接。
所述电压补偿器包括：辅助储能元件、变换器和电感，所述辅助储能元件的正极和负极之间连接所述变换器，所述变换器与储能元件之间串联所述电感。所述变换器可以为全桥变换器、双电平变换器、三电平变换器以及多电平变换器中的任意一种；
所述变换器包括：第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与储能元件的负极之间连接电感，所述第二输出端子连接至直流电源的负极。
所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管的发射极连接至所述第二开关管的集电极，所述第一开关管和所述第二开关管构成所述全桥变换器的第一桥臂；所述第三开关管的发射极连接至所述第四开关管的集电极，所述第三开关管和所述第四开关管构成所述全桥变换器的第二桥臂；所述第一开关管的集电极连接至所述辅助储能元件的正极，所述第二开关管的发射极连接到所述辅助储能元件的负极；所述第一开关管和所述第二开关管之间形成第一节点；所述第三开关管和所述第四开关管之间形成第二节点。所述第一节点连接到所述第一输出端子，所述第二节点连接到所述第二输出端子。第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管均反向并联二极管。
对应上述控制器，本申请实施例还提供了一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，包括：
当对所述储能元件恒流充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节充电电流大小；
当对所述储能元件恒流放电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节放电电流大小；
当所述储能元件的输出电压和所述直流电源的电压不相等时，控制所述变换器进行电压补偿，所述电压补偿包括正电压补偿和负电压补偿；
当所述辅助储能元件需要充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，对辅助储能元件进行充电。
以电压补偿器的变换器采用全桥变换器为例进行示例性说明，
当对所述储能元件恒流充电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第四开关管截止，并控制所述第三开关管的导通时间，控制充电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第一开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第二开关管的导通时间，控制充电电流的大小。
当对所述储能元件恒流放电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第四开关管的导通时间，控制放电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第二开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第一开关管的导通时间，控制放电电流的大小。
当所述储能元件的输出电压和所述直流电源的电压不相等时，控制所述变换器进行电压补偿；
当储能元件的输出电压小于直流母线电压时，控制全桥变换器进行正电压补偿；
当储能元件的输出电压大于直流母线时，控制全桥变换器进行负电压补偿。
当所述辅助储能元件需要充电时，控制所述全桥变换器的第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第一开关管和所述第四开关管同时导通的时间，调节充电电流的大小。
图1示出了电压补偿型电池储能变换器接入直流电网的示意图，如图1所示，一种电压补偿型电池储能变换器由储能元件C1和电压补偿器INV1构成，储能元件C1和电压补偿器INV1串联连接，并接入直流电源DC+(正线)和DC-(负线)。其中储能元件C1的正极连接至直流电源的DC+，储能元件C1的负极和直流电源的DC-之间串联电压补偿器INV1。
电压补偿器INV1由辅助储能元件C2、全桥变换器和电感L构成。需要说明的是，电压补偿器INV1的全桥变换器可以替换为两电平变换器、三电平变换器或者多电平变换器，并不仅限于全桥变换器这一种。
电压补偿器INV1的输出电压为直流电源电压Vbus和储能元件电压Vbat的差值，电压补偿器INV1的输出电流为储能元件的电流ibat。
当储能元件C1恒流充电或恒流放电时，电压补偿器INV1工作在恒流状态；当储能元件C1稳压充电或稳压放电时，电压补偿器INV1工作在电压补偿状态；此外，电压补偿器INV1还可以工作在辅助充电状态，给辅助储能元件C2充电。
电压补偿型电池储能变换器可以直接接入直流电网，也可以通过双向DC/AC变换器接入交流电网。
如图1所示，直流电网包括直流电源DC+和直流电源DC-，其中直流电源的DC+连接到储能元件C1的正极，直流电源的DC-与储能元件C1的负极之间连接电压补偿器INV1。
电压补偿器INV1由辅助储能元件C2、全桥变换器和电感L构成。
全桥变换器由四组全控开关管构成，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构成全桥变换器的第一桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4构成全桥变换器的第二桥臂，第一开关管S1和第二开关管S2之间形成第一节点，第一节点连接到第一输出端子①，第一输出端子①经串联电感L连接到储能元件C1的负极；第三开关管S3和第四开关管S4之间形成第二节点，第二节点连接到第二输出端子②，第二输出端子②连接至直流母线的DC-。第一开关管S1的发射极连接至第二开关管S2的集电极，第三开关管S3的发射极连接至第四开关管S4的集电极。第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均反向并联二极管，通过反向并联二极管对全控开关管进行续流保护。
辅助储能元件C2的正极连接至第一开关管S1的集电极，辅助储能元件C2点负极连接至第二开关管S2的发射极。
图2示出了电压补偿型电池储能变换器接入交流电网的示意图，如图2所示，交流电网包括A相线、B相线、C相线，交流电网通过双向DC/AC变换器与直流线路连接，直流线路包括直流正极DC+线路和直流负极DC-线路。其中直流正极DC+线路连接到储能元件C1的正极，直流负极DC-线路与储能元件C1的负极之间连接电压补偿器INV1。
电压补偿器INV1由辅助储能元件C2、全桥变换器和电感L构成。
全桥变换器由四组全控开关管构成，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构成全桥变换器的第一桥臂，第三开关管S3和第四开关管S4构成全桥变换器的第二桥臂，第一开关管S1和第二开关管S2之间形成第一节点，第一节点连接到第一输出端子①，第一输出端子①连接到储能元件C1的负极，并且储能元件C1的负极与第一输出端子①之间串联电感L；第三开关管S3和第四开关管S4之间形成第二节点，第二节点连接到第二输出端子②，第二输出端子②连接至直流母线的DC-。第一开关管S1的发射极连接至第二开关管S2的集电极，第三开关管S3的发射极连接至第四开关管S4的集电极。第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均反向并联二极管，通过反向并联二极管对全控开关管进行续流保护。
辅助储能元件C2的正极连接至第一开关管S1的集电极，辅助储能元件C2点负极连接至第二开关管S2的发射极。
现以电压补偿器INV1包括全桥变换器为例进行示例性说明，一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法包括：
1、当恒流充电时，控制所述全桥变换器的第一开关管S1、第二开关管S2和第四开关管S4截止，并控制所述第三开关管S3的导通时间，控制充电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第一开关管S1、第三开关管S3和第四开关管S4截止，并控制所述第二开关管S2的导通时间，控制充电电流的大小。
2、当恒流放电时，控制所述全桥变换器的第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3截止，并控制所述第四开关管S4的导通时间，控制放电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4截止，并控制所述第一开关管S1的导通时间，控制放电电流的大小。
3、当Vbat＜Vbus时，即储能元件C1的输出电压小于直流电网的电压，需要补偿Vcmp＞0，即电压补偿器INV1的输出电压应大于零；第二开关管S2和第三开关管S3截止，控制第一开关管S1和第四开关管S4的导通时间，实现一定正电压的补偿；
4、当Vbat＞Vbus时，即储能元件C1的输出电压大于直流电网的电压，需要补偿Vcmp＜0，即电压补偿器INV1的输出电压应小于零，第一开关管S1和第四开关管S4截止，控制第二开关管S2和第三开关管S3的导通时间，实现一定负电压的补偿。
5、当辅助储能元件C2充电时，第二开关管S2和第三开关管S3截止，控制第一开关管S1和第四开关管S4同时导通的时间，控制辅助储能元件充电电流的大小。
6、辅助储能元件充电过程，也可以恒流充电或恒压充电一起完成。
本发明的针对不同充电状态时，储能元件的电压变化范围不大(例如，锂电池的剩余电量20％～90％区间变化时，其电压变化不超过10％)，提出一种电压补偿型电池储能变换器，其传输功率为补偿功率，远小于储能元件的全功率，即电压补偿器INV1的补偿功率远小于储能元件C1的全功率，具有低成本和低损耗的优点。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：储能元件和电压补偿器；所述储能元件与所述电压补偿器串联接入到直流电源；所述电压补偿器包括辅助储能元件、变换器和电感；所述辅助储能元件的正极和负极之间连接所述变换器，所述变换器与所述储能元件之间串联所述电感；所述变换器包括：第一输出端子和第二输出端子，所述第一输出端子与储能元件的负极之间连接所述电感，所述第二输出端子连接至直流电源的负极；
当对所述储能元件恒流充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节充电电流大小；
当对所述储能元件恒流放电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，调节放电电流大小；
当所述储能元件的输出电压和所述直流电源的电压不相等时，控制所述变换器进行电压补偿；
当所述辅助储能元件需要充电时，通过控制所述电压补偿器的变换器，对辅助储能元件进行充电。
2.根据权利要求1所述的一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述变换器为全桥变换器、双电平变换器、三电平变换器以及多电平变换器中的任意一种。
3.根据权利要求2所述的一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，当所述变换器为全桥变换器时，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，所述第一开关管的发射极连接至所述第二开关管的集电极，所述第一开关管和所述第二开关管构成所述全桥变换器的第一桥臂；所述第三开关管的发射极连接至所述第四开关管的集电极，所述第三开关管和所述第四开关管构成所述全桥变换器的第二桥臂；所述第一开关管的集电极连接至所述辅助储能元件的正极，所述第二开关管的发射极连接到所述辅助储能元件的负极；所述第一开关管和所述第二开关管之间形成第一节点；所述第三开关管和所述第四开关管之间形成第二节点。
4.根据权利要求3所述的一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述第一节点连接到所述第一输出端子，所述第二节点连接到所述第二输出端子。
5.根据权利要求3所述的一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管均反向并联二极管。
6.根据权利要求1所述的一种电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述直流电源为直流母线或直流电网。
7.根据权利要求3或4或5所述的电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，包括：
当所述储能元件恒流充电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第四开关管截止，并控制所述第三开关管的导通时间，控制充电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第一开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第二开关管的导通时间，控制充电电流的大小；
当所述储能元件恒流放电时，控制所述全桥变换器的第一开关管、第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第四开关管的导通时间，控制放电电流的大小；或者控制所述全桥变换器的第二开关管、第三开关管和第四开关管截止，并控制所述第一开关管的导通时间，控制放电电流的大小。
8.根据权利要求3或4或5所述的电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，所述电压补偿包括正电压补偿和负电压补偿；
当所述储能元件的输出电压小于所述直流电源电压时，控制所述全桥变换器进行正电压补偿；
当所述储能元件的输出电压大于所述直流电源电压时，控制所述全桥变换器进行负电压补偿。
9.根据权利要求3或4或5所述的电压补偿型电池储能变换器的控制方法，其特征在于，当所述辅助储能元件需要充电时，控制所述全桥变换器的第二开关管和第三开关管截止，并控制所述第一开关管和所述第四开关管同时导通的时间，调节充电电流的大小。
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