CN110649640A

CN110649640A - 一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置

Info

Publication number: CN110649640A
Application number: CN201910866673.8A
Authority: CN
Inventors: 张红娟; 张芳; 靳宝全; 高妍; 王宇; 刘昕; 白清
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2019-09-12
Filing date: 2019-09-12
Publication date: 2020-01-03
Anticipated expiration: 2039-09-12
Also published as: CN110649640B

Abstract

本发明公开了一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置，其特征在于考虑负载的不确定性、冲击性，以及直流母线电压波动对系统性能的影响，通过采集母线侧、网侧、超级电容模组侧、交流电机侧的电压、电流、功率等信息，进行状态模式识别和功率预测，在满足能耗最小的目标下，通过功率分配的二次规划与误差校正，有效抑制充电模式下网侧能量的吸收，实现充放电模式下负载能量跟踪、母线电压脉动抑制及各控制单元之间的快速平稳切换，保证交流电机运行在发电和电动状态下的能量协调分配和平稳运行。适用于微电网、新能源发电、交通运输、工程机械等能量回收与再利用，提高能量利用率的场合。

Description

一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置

技术领域

本发明属于储能系统的节能控制领域，具体涉及一种用于能量回收再利用的超级电容储能控制装置。

背景技术

超级电容由于功率密度高、充放电速度快、工作温度范围宽等优点被广泛应用于微电网、新能源发电、交通运输、工程机械等电机控制系统。然而，电机控制系统在运行过程存在大量的回馈能量，这些能量大多以热量的形式消耗了，能量利用率有待进一步提高。

超级电容储能控制装置根据超级电容电流、电压、荷电状态、直流母线电压和电流等信号，对电机输出能量进行跟踪控制，实现能量回收再利用。当电机处于馈能工况时，由于其再生电能的功率不确定，这部分能量回馈于直流母线环节，如果不能被及时处理，会引起直流母线功率波动。同时，负载波动、逆变单元之间的功率交换或负载不平衡等都会引起直流母线功率的波动，从而影响系统的稳定运行，严重时引起电力电子器件的损坏和电机的震动发热等。并且，超级电容储能装置工作在充电模式时，如果控制不当，不但吸收直流母线多余能量，而且吸收电网的能量，造成超级电容储能装置负担过重，频繁的能量转换引起不必要的能量损失，甚至影响系统的稳定运行。

发明内容

本发明目的在于解决超级电容储能装置在吸收直流母线多余能量的同时吸收电网的能量，引起损耗增加和直流母线功率波动等问题，公开一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置。

本发明设计了一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置，整套装置由主电路系统单元、信号采集单元和控制单元组成；所述主电路系统单元包括三相电网、三相整流器、滤波电容、三相PWM逆变器、交流电机、双向DC/DC变换器和超级电容模组；所述信号采集单元包括网侧电流传感器、第一模数转换电路、母线电流传感器、第二模数转换电路、高压侧电压传感器、第三模数转换电路、高压侧电流传感器、第四模数转换电路、超级电容电流传感器、第五模数转换电路、超级电容电压传感器、第六模数转换电路、功率检测器和第七模数转换电路；其特征在于，所述控制单元包括状态识别模块、SOC计算模块、与门、模式切换模块、预测算法模块、二次规划与功率校正模块、功率前馈双闭环控制器和PWM发生器；

三相电网的三相线均连接至三相整流器，三相整流器的DC+输出端和DC-输出端分别通过直流母线正和直流母线负连接至三相PWM逆变器，在直流母线正上串联有网侧电流传感器和母线电流传感器，在直流母线正与直流母线负之间并联有滤波电容与高压侧电压传感器，三相PWM逆变器经功率检测器连接交流电机；双向DC/DC变换器的高压侧一端通过高压侧电流传感器与直流母线正相连，双向DC/DC变换器的高压侧另一端与直流母线负相连，双向DC/DC变换器的低压侧一端通过超级电容电流传感器与超级电容模组的一端相连，双向DC/DC变换器的低压侧另一端直接与超级电容模组的另一端相连，超级电容电压传感器并联在双向DC/DC变换器和超级电容模组之间；

其中，网侧电流传感器、母线电流传感器、高压侧电压传感器、高压侧电流传感器分别经由第一模数转换电路、第二模数转换电路、第三模数转换电路和第四模数转换电路输入到状态识别模块，超级电容电流传感器、超级电容电压传感器分别经由第五模数转换电路和第六模数转换电路输入到SOC计算模块，状态识别模块和SOC计算模块输出的信号经与门和模式切换模块后输送到预测算法模块，高压侧电压传感器、超级电容电流传感器、超级电容电压传感器输出的信号分别经由第三模数转换电路、第五模数转换电路和第六模数转换电路转换后也输送到预测算法模块，预测算法模块输出交流电机的预测功率值，并输送给二次规划与功率校正模块，超级电容电压传感器和功率检测器输出的信号分别经由第六模数转换电路和第七模数转换电路转换后也输送到二次规划与功率校正模块，进行负载、母线能量实时跟踪及线性化处理，二次规划与功率校正模块输出校正后的功率预测值给功率前馈双闭环控制器，高压侧电压传感器、超级电容电流传感器、超级电容电压传感器和功率检测器输出的信号分别经由第三模数转换电路、第五模数转换电路、第六模数转换电路和第七模数转换电路转换后也输送到功率前馈双闭环控制器，功率前馈双闭环控制器输出的PWM控制信号经PWM发生器生成PWM信号驱动双向DC/DC变换器工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

该超级电容储能控制装置可以有效抑制网侧能量的吸收，降低储能装置频繁能量转换引起的损耗，同时减小直流母线功率波动，实现电机能量与储能系统能量协调配合，保证系统稳定运行。适用于微电网、新能源发电、交通运输、工程机械等领域要求能量回收再利用，提高能量利用率的场合。

附图说明

图1是本发明提供的一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置的结构示意图。

附图标记：1.三相电网 2.三相整流器 3.滤波电容 4.三相PWM逆变器 5.交流电机 6.双向DC/DC变换器 7.超级电容模组 8.网侧电流传感器 9.第一模数转换电路 10.母线电流传感器 11.第二模数转换电路 12.高压侧电压传感器 13.第三模数转换电路 14.高压侧电流传感器 15.第四模数转换电路 16.超级电容电流传感器 17.第五模数转换电路 18.超级电容电压传感器 19.第六模数转换电路 20.功率检测器 21.第七模数转换电路 22.状态识别模块 23.SOC计算模块 24.与门 25.模式切换模块 26.预测算法模块 27.二次规划与功率校正模块 28.功率前馈双闭环控制器 29.PWM发生器 30.直流母线正 31.直流母线负。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。

参阅图1，图1是本发明提供的一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置的结构示意图。整套装置由主电路系统单元、信号采集单元和控制单元组成；所述主电路系统单元包括三相电网1、三相整流器2、滤波电容3、三相PWM逆变器4、交流电机5、双向DC/DC变换器6和超级电容模组7；所述信号采集单元包括网侧电流传感器8、第一模数转换电路9、母线电流传感器10、第二模数转换电路11、高压侧电压传感器12、第三模数转换电路13、高压侧电流传感器14、第四模数转换电路15、超级电容电流传感器16、第五模数转换电路17、超级电容电压传感器18、第六模数转换电路19、功率检测器20和第七模数转换电路21；所述控制单元包括状态识别模块22、SOC计算模块23、与门24、模式切换模块25、预测算法模块26、二次规划与功率校正模块27、功率前馈双闭环控制器28和PWM发生器29。

三相电网1的三相线均连接至三相整流器2，三相整流器2的DC+输出端和DC-输出端分别通过直流母线正30和直流母线负31连接至三相PWM逆变器4，在直流母线正30上串联有网侧电流传感器8和母线电流传感器10，在直流母线正30与直流母线负31之间并联有滤波电容3与高压侧电压传感器12，三相PWM逆变器4经功率检测器20连接交流电机5；双向DC/DC变换器6的高压侧一端通过高压侧电流传感器14与直流母线正30相连，双向DC/DC变换器6的高压侧另一端与直流母线负31相连，双向DC/DC变换器6的低压侧一端通过超级电容电流传感器16与超级电容模组7的一端相连，双向DC/DC变换器6的低压侧另一端直接与超级电容模组7的另一端相连，超级电容电压传感器18并联在双向DC/DC变换器6和超级电容模组7之间；

其中，网侧电流传感器8、母线电流传感器10、高压侧电压传感器12和高压侧电流传感器14采集的信号分别经由第一模数转换电路9、第二模数转换电路11、第三模数转换电路13和第四模数转换电路15转换后输入到状态识别模块22，通过状态识别模块22实现网侧电流i_d、母线电流i_bus、高压侧电压U_d和高压侧电流i_sc’大小判断：当i_d≥0&i_bus>0&i_sc’<0&U_d≤500V时，状态识别模块22输出为0；当i_d≤0&i_bus<0&i_sc’>0&U_d≥600V时，状态识别模块22输出为1。

超级电容电流传感器16和超级电容电压传感器18采集的信号分别经由第五模数转换电路17和第六模数转换电路19转换后输入到SOC计算模块23，通过计算得到超级电容模组SOC的预测值，并用迭代算法判断超级电容模组7的充放电状态：当SOC(k/k-1)<1时，输出为0；当SOC(k/k-1)>1时，输出为1。充放电模式下的SOC预测值以及迭代算法分别如式(1)、(2)所示：

其中：C_sc为超级电容模组7的容值，i_sc为超级电容模组7的电流，i_sc(k-1)为超级电容模组7在第k-1时刻的电流，U_sc(0)为超级电容模组7的起始电压，U_sc(∞)为超级电容模组7的稳态电压，T_s为采样周期，η_c为超级电容模组7的充电效率，η_d为超级电容模组7的放电效率。

状态识别模块22和SOC计算模块23的输出信号经与门24和模式切换模块25后输出高低电平模式信号，若模式切换模块25输出高电平，则系统切换到充电模式；若模式切换模块25输出低电平，则系统切换到放电模式。

当超级电容模组7工作在充电模式时，模式切换模块25将高电平模式信号输送到预测算法模块26，高压侧电压传感器12、超级电容电流传感器16和超级电容电压传感器18输出的信号分别经由第三模数转换电路13、第五模数转换电路17和第六模数转换电路19转换后也输送到预测算法模块26，预测算法模块26首先计算出超级电容模组7的功率预测值，根据超级电容模组7的功率预测值，通过功率预测算法计算出直流母线和交流电机5的功率预测值。功率预测算法如式(3)：

其中：

为超级电容模组7的功率预测值，

为交流电机5的功率预测值，

为直流母线功率预测值，U_d为高压侧电压值，U_c为超级电容模组7的额定电压值，η_inv为三相PWM逆变器4的效率，T_s为采样周期，L为双向DC/DC变换器6的相间电感值。

预测算法模块26输出交流电机5的功率预测值给二次规划与功率校正模块27，二次规划与功率校正模块27结合来自超级电容电压传感器18和功率检测器20输出的信号，根据功率误差最小原则，通过校正算法，对交流电机5的功率进行二次规划及校正，最终输出交流电机5的功率参考值

校正算法如式(4)：

其中：U_sc,ref为超级电容模组7的参考电压值，I_sc,ref为超级电容模组7的参考电流值，P_m为功率检测器20检测到的交流电机5的实际功率，e为交流电机5的功率误差。

二次规划与功率校正模块27输出交流电机功率参考值

给功率前馈双闭环控制器28，高压侧电压传感器12、超级电容电流传感器16、超级电容电压传感器18和功率检测器20输出的信号分别经由第三模数转换电路13、第五模数转换电路17、第六模数转换电路19和第七模数转换电路21转换后也输送到功率前馈双闭环控制器28，功率前馈双闭环控制器28采用功率前馈的双回路控制结构，内环是电流环，外环是电压环，功率前馈双闭环控制器28根据交流电机功率参考值

与功率检测器20输出的实际值进行调整，使得系统交流电机的发电功率可以快速被超级电容模组7吸收，从而保证超级电容模组7实时跟踪负载能量，实现网侧能量的抑制。最后功率前馈双闭环控制器28输出的PWM控制信号经PWM发生器29生成PWM信号驱动双向DC/DC变换器6按照以上期望的控制目标工作。

当超级电容模组7工作在放电模式时，模式切换模块25将低电平模式信号输送到预测算法模块26，同样，预测算法模块26首先根据超级电容电流传感器16和超级电容电压传感器18输出的信号计算出超级电容模组7的功率预测值，通过功率预测算法计算出直流母线和交流电机5的功率预测值。功率预测算法如式(5)：

预测算法模块26输出交流电机5的功率预测值给二次规划与功率校正模块27，二次规划与功率校正模块27结合来自超级电容电压传感器18和功率检测器20输出的信号，根据功率误差最小原则，通过校正算法，对交流电机功率进行二次规划及校正，最终输出交流电机功率参考值

校正算法如式(6)：

二次规划与功率校正模块27输出交流电机功率参考值

给功率前馈双闭环控制器28，同样，功率前馈双闭环控制器28根据交流电机功率参考值

与功率检测器20输出的实际值进行调整，保证系统能够满足交流电机的电动运行所需功率。双向DC/DC变换器6通过采用电流内环、电压外环及功率前馈控制，从而保证超级电容模组7实时跟踪负载并给负载提供能量。

当超级电容模组7的功率预测值小于交流电机电动运行功率，并且超级电容模组7两端电压低于其额定值高于其最低工作电压值时，三相电网1与超级电容模组7一起给交流电机5提供电能，维持和保证交流电机5正常运行。

当超级电容模组7的功率预测值小于交流电机电动运行功率，并且超级电容模组7两端电压低于其最低工作电压值时，功率前馈双闭环控制器28输出零电平，封锁PWM发生器29输出，使双向DC/DC变换器6停止工作，此时只由三相电网1提供电能，维持和保证交流电机5正常运行。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种网侧能量抑制的超级电容储能控制装置，其特征在于，包括主电路系统单元、信号采集单元和控制单元；其中，所述主电路系统单元包括三相电网（1）、三相整流器（2）、滤波电容（3）、三相PWM逆变器（4）、交流电机（5）、双向DC/DC变换器（6）和超级电容模组（7）；所述信号采集单元包括网侧电流传感器（8）、第一模数转换电路（9）、母线电流传感器（10）、第二模数转换电路（11）、高压侧电压传感器（12）、第三模数转换电路（13）、高压侧电流传感器（14）、第四模数转换电路（15）、超级电容电流传感器（16）、第五模数转换电路（17）、超级电容电压传感器（18）、第六模数转换电路（19）、功率检测器（20）和第七模数转换电路（21）；所述控制单元包括状态识别模块（22）、SOC计算模块（23）、与门（24）、模式切换模块（25）、预测算法模块（26）、二次规划与功率校正模块（27）、功率前馈双闭环控制器（28）和PWM发生器（29）；

三相电网（1）的三相线均连接至三相整流器（2），三相整流器（2）的DC+输出端和DC-输出端分别通过直流母线正（30）和直流母线负（31）连接至三相PWM逆变器（4），在直流母线正（30）上串联有网侧电流传感器（8）和母线电流传感器（10），在直流母线正（30）与直流母线负（31）之间并联有滤波电容（3）与高压侧电压传感器（12），三相PWM逆变器（4）经功率检测器（20）连接交流电机（5）；双向DC/DC变换器（6）的高压侧一端通过高压侧电流传感器（14）与直流母线正（30）相连，双向DC/DC变换器（6）的高压侧另一端与直流母线负（31）相连，双向DC/DC变换器（6）的低压侧一端通过超级电容电流传感器（16）与超级电容模组（7）的一端相连，双向DC/DC变换器（6）的低压侧另一端直接与超级电容模组（7）的另一端相连，超级电容电压传感器（18）并联在双向DC/DC变换器（6）和超级电容模组（7）之间；

其中，网侧电流传感器（8）、母线电流传感器（10）、高压侧电压传感器（12）、高压侧电流传感器（14）分别经由第一模数转换电路（9）、第二模数转换电路（11）、第三模数转换电路（13）和第四模数转换电路（15）输入到状态识别模块（22），超级电容电流传感器（16）、超级电容电压传感器（18）分别经由第五模数转换电路（17）和第六模数转换电路（19）输入到SOC计算模块（23），状态识别模块（22）和SOC计算模块（23）输出的信号经与门（24）和模式切换模块（25）后输送到预测算法模块（26），高压侧电压传感器（12）、超级电容电流传感器（16）、超级电容电压传感器（18）输出的信号分别经由第三模数转换电路（13）、第五模数转换电路（17）和第六模数转换电路（19）转换后也输送到预测算法模块（26），预测算法模块（26）输出交流电机（5）的预测功率值，并输送给二次规划与功率校正模块（27），超级电容电压传感器（18）和功率检测器（20）输出的信号分别经由第六模数转换电路（19）和第七模数转换电路（21）转换后也输送到二次规划与功率校正模块（27），进行负载、母线能量实时跟踪及线性化处理，二次规划与功率校正模块（27）输出校正后的功率预测值给功率前馈双闭环控制器（28），高压侧电压传感器（12）、超级电容电流传感器（16）、超级电容电压传感器（18）和功率检测器（20）输出的信号分别经由第三模数转换电路（13）、第五模数转换电路（17）、第六模数转换电路（19）和第七模数转换电路（21）转换后也输送到功率前馈双闭环控制器（28），功率前馈双闭环控制器（28）输出的PWM控制信号经PWM发生器（29）生成PWM信号驱动双向DC/DC变换器（6）工作。