CN110667404A - 复合电源控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于复合电源领域，具体涉及了一种复合电源控制系统及控制方法，旨在解决现有技术在故障情况下不切换模式或系统失稳的问题。本发明系统包括：电池电流控制环、电流调节模块，根据经过滞环模块的储能元件电流实际值与参考值、直流母线上的电压实际值与参考值，生成发电机的电流参考值；发电机电流控制环，根据发电机的电流参考值、发电机的任意两相电流、角速度实际值，生成整流器的控制信号，从而控制复合电源系统中发电机输出功率。本发明提出三环控制模式并在电流反馈环节增加滞环，系统无需读取电池的状态就可实现模式切换等功能，并且在故障模式下也可实现无扰切换，保持系统稳定，系统的功率分配实时精确可控。

Description

复合电源控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于串联混合动力、复合电源领域，具体涉及了一种复合电源控制系统及控制方法。

背景技术

串联式油电混合动力系统为混合动力的一种，可以降低燃油的消耗和污染，提高载具的续航里程，具有比电池单独供电的系统更高的能量密度、功率密度和比发电机组单独供电的系统更好的动态特性，因此在新能源汽车、船舶和多电飞机的能源动力系统中获得了广泛的应用，如图2所示，为现有技术中串联混合动力系统的结构示意图，发动机、燃气轮机或柴油机等原动机与发电机连轴运行，带动发电机发电。发电机出线端接入整流器，整流器将发电机发出的交流电整流成直流，直流侧并联滤波电容、储能元件，逆变器将直流逆变成交流电驱动电动机。原动机不与驱动系统直接机械连接，原动机的全部有效能量均转化为电能供用电设备使用。

系统有三种模式：1、全电模式，即发电机组停止运行，电池独立为负载供电；2、发电机组独立供电模式，发电机组通过整流器整流到母线电压额定值，独立为负载供电，电池既不吸收能量也不发出能量，从系统中切出；3、混动模式：发电机组通过整流器整流到母线电压额定值，储能电池连接到直流母线。系统正常运行时在不同模式下的切换，称为主动切换。当系统运行时，碰到故障，导致某个部件失效脱离母线时，需要即时切换模式，保证系统正常运行，称为被动切换。在不同模式下，发电机控制器控制策略不同，在切换模式及故障保护时，需要设计合理的发电机及电池控制策略，以保证系统正常运行。

系统模式切换控制策略常用主从控制，如图3所示，为现有技术中串联混合动力系统模式切换控制策略常用的主从控制发电机整流器控制示意框图。1、当系统处于混动模式时：电池或电池+DC-DC变换器作为主控电源，控制母线电压恒定，发电机整流器作为从电源，控制系统功率分配；2、当系统处于发电机组独立供电模式：发电机整流器作为主电源，控制母线电压。

然而，这种策略需要读取电池信息及在线状态，以实现模式切换等功能，在故障模式下可能会出现指令下发不及时，从而系统未进行模式切换而导致系统失稳。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有复合电源控制系统在故障模式下可能出现模式切换指令下发不及时，从而导致系统不切换模式或系统失稳的问题，本发明提供了一种复合电源控制系统，该控制系统包括电池电流控制环、电流调节模块、发电机电流控制环；

所述电池电流控制环，配置为根据储能元件的实际电流值以及获取的储能元件的参考电流值，生成电压调节器的控制电流，并获取所述电压调节器的输出值作为直流母线的电压调节值；

所述电流调节模块，配置为根据所述直流母线的电压调节值、直流母线的实际电压值以及获取的直流母线的参考电压值，生成电流调节器的控制电压，并获取所述电流调节器的输出值作为发电机电流参考值；

所述发电机电流控制环，配置为根据所述发电机电流参考值以及获取的发电机实际电流值、实际角速度值，生成所述复合电源控制系统中整流器的控制信号，并根据该控制信号控制所述复合电源系统中发电机输出功率；

其中，所述电池电流控制环设置有滞环模块；

所述滞环模块，设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置，通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整。

在一些优选的实施例中，所述储能元件为动力电池、超级电容、飞轮中的一种或多种。

在一些优选的实施例中，所述储能元件的参考电流值为依据电源选择信息、设定功率信息，通过设定功率与所述储能元件的参考电流值的映射函数计算获得。

在一些优选的实施例中，所述直流母线的参考电压值通过将所述直流母线的实际电压值延迟获得。

在一些优选的实施例中，所述延迟通过延迟环节、滤波环节、惯性环节、增长斜率限制环节中一个或多个环节进行。

在一些优选的实施例中，所述储能元件的实际电流值通过设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置的电流互感器获取。

在一些优选的实施例中，所述直流母线的实际电压值通过设置于负载输出与所述电流调节器的输入之间任意位置的电压传感器获取。

在一些优选的实施例中，“通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整”，其方法为：

所述储能元件故障时，其实际电流值迅速下降，当实际电流值下降至所述滞环模块的预先设定的电流滞环的环宽范围内时，所述滞环模块将所述储能元件输出电流值调整为0。

本发明的另一方面，提出了一种复合电源控制方法，基于上述的复合电源控制系统，该控制方法包括：

步骤S10，基于获取的电源选择信息、设定功率信息，判断所述储能元件是否需要接入所述直流母线；若需要，则转至步骤S20；否则，转至步骤S30；

步骤S20，将所述直流母线上的电压实际值进行延时作用后作为所述直流母线上的电压参考值，根据预设的计算方法计算出所述储能元件的电流参考值，将所述直流母线接入所述储能元件；

步骤S30，基于获取的储能元件状态信息，判断所述储能元件是否需要与所述直流母线紧急断开，若是则转至步骤S40，否则转至步骤S50；

步骤S40，通过所述滞环模块调整所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值；

步骤S50，依据所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值。

本发明的有益效果：

(1)本发明复合电源控制系统，提出电池电流控制环、电流调节模块、发电机电流控制环的三环控制模式，并在电流反馈环节增加滞环，无论电池在不在线，系统无需读取电池的状态就可实现模式切换等功能，并且在故障模式下也可实现无忧切换，保持系统稳定。

(2)本发明可脱离电池状态检测，实现对两种不同特性电源的功率闭环控制和系统工作模式、结构的自适应切换，系统的功率分配实时精确可控。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中复合电源控制系统的三环控制方案示意图；

图2是现有技术中串联混合动力系统的结构示意图；

图3是现有技术中串联混合动力系统模式切换控制策略常用的主从控制发电机整流器控制示意框图；

图4是本发明复合电源控制系统第一实施例的系统示意图；

图5是本发明复合电源控制系统第一实施例的系统控制策略一种方案的示意图；

图6是本发明复合电源控制系统第二实施例的系统示意图；

图7是本发明复合电源控制系统第二实施例的系统控制策略一种方案的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种复合电源控制系统，该控制系统包括电池电流控制环、电流调节模块、发电机电流控制环；

所述电池电流控制环，配置为根据储能元件的实际电流值以及获取的储能元件的参考电流值，生成电压调节器的控制电流，并获取所述电压调节器的输出值作为直流母线的电压调节值；

所述电流调节模块，配置为根据所述直流母线的电压调节值、直流母线的实际电压值以及获取的直流母线的参考电压值，生成电流调节器的控制电压，并获取所述电流调节器的输出值作为发电机电流参考值；

所述发电机电流控制环，配置为根据所述发电机电流参考值以及获取的发电机实际电流值、实际角速度值，生成所述复合电源控制系统中整流器的控制信号，并根据该控制信号控制所述复合电源系统中发电机输出功率；

其中，所述电池电流控制环设置有滞环模块；

所述滞环模块，设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置，通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整。

为了更清晰地对本发明复合电源控制系统进行说明，下面结合图1对本发明方法实施例中各模块展开详述。

如图1所示，为本发明实施例中复合电源控制系统的三环控制方案示意图，包括第一级控制-发电机电流控制环、第二级控制-电流调节模块、第三级控制-电池电流控制环。发电机电流控制环包括原动机1、发电机2、整流器3、发电机电流控制策略模块9、发电机电流参考值16。电流调节模块包括直流母线的实际电压值13、直流母线的参考电压值12、电流调节器11。电池电流控制环包括储能元件7的实际电流值15、滞环模块17、储能元件7的参考电流值14、电压调节器10。

本发明中的复合电源为串联混合动力系统。串联混合动力系统由发动机、发电机和驱动电动机三大动力总成组成，发动机、发电机和驱动电动机采用“串联”的方式组成驱动系统。用发动机－发电机组按照控制策略发电，电能供应驱动电动机或动力电池组，使它的行驶里程得到延长。

电池电流控制环，配置为根据储能元件的实际电流值以及获取的储能元件的参考电流值，生成电压调节器的控制电流，并获取所述电压调节器的输出值作为直流母线的电压调节值。

储能元件为动力电池、超级电容、飞轮中的一种或多种。

储能元件的参考电流值为依据电源选择信息、设定功率信息，通过设定功率与所述储能元件的参考电流值的映射函数计算获得。

例如，实际应用中可以选择如下的映射关系：当汽车加速爬坡时，储能元件供电的电动机和燃油发动机按照1:1的功率同时向传动机构提供动力，一旦汽车车速达到行驶速度，汽车将仅仅依靠发动机维持该速度，储能元件供电的电动机和燃油发动机按照0:1的功率提供动力。还可以通过其他映射关系来调整复合电源系统中各电源供电情况，本发明在此不再一一详述。

储能元件的实际电流值通过设置于储能元件的输出与电压调节器的输入之间任意位置的电流互感器获取。

电流调节模块，配置为根据所述直流母线的电压调节值、直流母线的实际电压值以及获取的直流母线的参考电压值，生成电流调节器的控制电压，并获取所述电流调节器的输出值作为发电机电流参考值。

直流母线的参考电压值通过将直流母线的实际电压值延迟获得。

延迟通过延迟环节、滤波环节、惯性环节、增长斜率限制环节中一个或多个环节进行。

直流母线的实际电压值通过设置于负载输出与电流调节器的输入之间任意位置的电压传感器获取。

所述发电机电流控制环，配置为根据所述发电机电流参考值以及获取的发电机实际电流值、实际角速度值，生成所述复合电源控制系统中整流器的控制信号，并根据该控制信号控制所述复合电源系统中发电机输出功率。

其中，电池电流控制环设置有滞环模块；

滞环模块，设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置，通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整。

本发明一个实施例中，系统功率为350kW，此时设定的电流滞环的环宽为[-10A，10A]。

“通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整”，其方法为：

所述储能元件故障时，其实际电流值迅速下降，当实际电流值下降至所述滞环模块的预先设定的电流滞环的环宽范围内时，所述滞环模块将所述储能元件输出电流值调整为0。

本发明复合电源控制系统第一实施例的系统示意图如图4所示，包括：

燃气轮机，永磁发电机，三相全桥可控整流器，滤波电容，锂离子电池7，接触器18，电流互感器19，电压传感器20，电阻22和电抗器23，并选用单片机实施数字化控制。燃气轮机作为原动机，与永磁发电机连轴运行。发电机出线端接入三相全桥可控整流器，电流互感器用来测量发电机任意两相电流，整流器采用PWM可控整流的方法将发电机发出的交流电整流成电压值在一定范围内可调的直流电。滤波电容并联在直流侧使直流母线电压平稳。锂离子电池经过接触器并联在直流母线上，用电流互感器测量电池输出电流，电压传感器用来测量直流母线电压。直流侧负载为电阻和电抗器。

本发明复合电源控制系统第一实施例的系统控制策略的一种方案的控制策略如图5的示意图所示，发电机整流器恒压运行，按下垂曲线调整电压指令，同时有上层控制器参与调节下垂曲线，补偿电压指令，实现系统功率分配。

为了改善系统模式切换时的电压响应，采用三环控制模式，在电压外环外加入第三级控制电池电流环。整流器电流指令为电池侧电流，其PI输出通过延时环节后，叠加到电压指令上，使第二级控制器电压指令增加，实现电池功率增加。

电池电流调节器、直流母线电压外环调节器和发电机电流内环调节器仍然采用比例-积分(PI)调节器，并对调节器输出进行限幅。电池电流反馈加入滞环环节。当接触器闭合时，锂电池接入直流母线，直流母线电压实际值由电压互感器测量得到。根据系统状态和功率需求计算电池电流的参考值，电池电流的反馈值为电流互感器采集的电流信号。电池电流调节器的输出和直流母线电压实际值并联输出作为直流母线电压控制环的反馈，电压测量值经过惯性环节作用之后作为参考值。直流母线电压可以稳定并且功率分配精确可控。

设置电流滞环的环宽在0附近。电流滞环的环宽是为解决电池切出时电流降为0，电流采样不准而设置。电流在环宽范围内输出0，反之，输出原值。

系统正常运行时，电池电流指令为0，若电池出现故障切出，电池电流会迅速下降，等到降低到滞环环宽范围内时，由于滞环存在，第三级控制器输出为0，无需进行模式切换系统可以继续稳定运行。

本发明复合电源控制系统第二实施例的系统示意图如图6所示，包括：

燃气轮机，永磁发电机，三相全桥可控整流器，滤波电容，锂离子电池7，接触器18，电流互感器19，电压互感器20，DC-DC变换器，电阻22和电抗器23，并选用单片机实施数字化控制。燃气轮机作为原动机，与永磁发电机连轴运行。发电机出线端接入三相全桥可控整流器，电流互感器用来测量发电机任意两相电流，整流器采用PWM可控整流的方法将发电机发出的交流电整流成电压值在一定范围内可调的直流电。滤波电容并联在直流侧使直流母线电压平稳。锂离子电池经过DC-DC变换器和接触器并联在直流母线上，用电流互感器测量电池输出电流，电压传感器用来测量直流母线电压。直流侧负载为电阻和电抗器。

本发明复合电源控制系统第二实施例的系统控制策略的一种方案的控制策略如图7的示意图所示：

发电机整流器恒压运行，按下垂曲线调整电压指令，同时有上层控制器参与调节下垂曲线，补偿电压指令，实现系统功率分配。

为了改善系统模式切换时的电压响应，提出一种三环控制模式，在电压外环外加入第三级控制电池电流环。整流器电流指令为电池侧电流，其PI输出通过延时环节后，叠加到电压指令上，使第二级控制器电压指令增加，实现电池功率增加。

直流母线电压外环调节器、电池电流调节器和发电机电流内环调节器仍然采用比例-积分(PI)调节器，并对调节器输出进行限幅。电池电流反馈加入滞环环节。当接触器闭合时，锂电池通过DC-DC变换器接入直流母线，直流母线电压实际值由电压互感器测量得到。根据系统状态和功率需求计算电池电流的参考值，电池电流的反馈值为电流互感器采集的电流信号。电池电流调节器的输出和直流母线电压实际值并联输出作为直流母线电压控制环的反馈，电压测量值经过惯性环节作用之后作为参考值。直流母线电压可以稳定并且功率分配精确可控。

设置电流滞环的环宽在0附近。电流滞环的环宽是为解决电池切出时电流降为0，电流采样不准而设置。电流在环宽范围内输出0，反之，输出原值。

系统正常运行时，电池电流指令为0，若电池出现故障切出，电池电流会迅速下降，等到降低到滞环环宽范围内时，由于滞环存在，第三级控制器输出为0，此时直流母线电压仍然可以稳定，无需快速进行主动模式切换系统也可以继续稳定运行。

需要说明的是，上述实施例提供的复合电源控制系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块的名称，仅仅是为了区分各个模块，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的复合电源控制方法，基于上述的复合电源控制系统，该控制方法包括：

步骤S10，基于获取的电源选择信息、设定功率信息，判断所述储能元件是否需要接入所述直流母线；若需要，则转至步骤S20；否则，转至步骤S30；

步骤S20，将所述直流母线上的电压实际值进行延时作用后作为所述直流母线上的电压参考值，根据预设的计算方法计算出所述储能元件的电流参考值，将所述直流母线接入所述储能元件；

步骤S30，基于获取的储能元件状态信息，判断所述储能元件是否需要与所述直流母线紧急断开，若是则转至步骤S40，否则转至步骤S50；

步骤S40，通过所述滞环模块调整所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值；

步骤S50，依据所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的复合电源控制方法，仅以上述各步骤的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的步骤来完成，即将本发明实施例中的步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的步骤可以合并为一个步骤，也可以进一步拆分成多个子步骤，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的步骤的名称，仅仅是为了区分各步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种复合电源控制系统，其特征在于，该控制系统包括电池电流控制环、电流调节模块、发电机电流控制环；

所述电池电流控制环，配置为根据储能元件的实际电流值以及获取的储能元件的参考电流值，生成电压调节器的控制电流，并获取所述电压调节器的输出值作为直流母线的电压调节值；

所述电流调节模块，配置为根据所述直流母线的电压调节值、直流母线的实际电压值以及获取的直流母线的参考电压值，生成电流调节器的控制电压，并获取所述电流调节器的输出值作为发电机电流参考值；

所述发电机电流控制环，配置为根据所述发电机电流参考值以及获取的发电机实际电流值、实际角速度值，生成所述复合电源控制系统中整流器的控制信号，并根据该控制信号控制所述复合电源系统中发电机输出功率；

其中，所述电池电流控制环设置有滞环模块；

所述滞环模块，设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置，通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整。

2.根据权利要求1所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述储能元件为动力电池、超级电容、飞轮中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述储能元件的参考电流值为依据电源选择信息、设定功率信息，通过设定功率与所述储能元件的参考电流值的映射函数计算获得。

4.根据权利要求1所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述直流母线的参考电压值通过将所述直流母线的实际电压值延迟获得。

5.根据权利要求4所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述延迟通过延迟环节、滤波环节、惯性环节、增长斜率限制环节中一个或多个环节进行。

6.根据权利要求1所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述储能元件的实际电流值通过设置于所述储能元件的输出与所述电压调节器的输入之间任意位置的电流互感器获取。

7.根据权利要求1所述的复合电源控制系统，其特征在于，所述直流母线的实际电压值通过设置于负载输出与所述电流调节器的输入之间任意位置的电压传感器获取。

8.根据权利要求1-7任一项所述的复合电源控制系统，其特征在于，“通过预先设定的电流滞环的环宽，在所述储能元件故障时对所述储能元件输出电流值进行调整”，其方法为：

所述储能元件故障时，其实际电流值迅速下降，当实际电流值下降至所述滞环模块的预先设定的电流滞环的环宽范围内时，所述滞环模块将所述储能元件输出电流值调整为0。

9.一种复合电源控制方法，其特征在于，基于权利要求1-8任一项所述的复合电源控制系统，该控制方法包括：

步骤S10，基于获取的电源选择信息、设定功率信息，判断所述储能元件是否需要接入所述直流母线；若需要，则转至步骤S20；否则，转至步骤S30；

步骤S20，将所述直流母线上的电压实际值进行延时作用后作为所述直流母线上的电压参考值，根据预设的计算方法计算出所述储能元件的电流参考值，将所述直流母线接入所述储能元件；

步骤S30，基于获取的储能元件状态信息，判断所述储能元件是否需要与所述直流母线紧急断开，若是则转至步骤S40，否则转至步骤S50；

步骤S40，通过所述滞环模块调整所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值；

步骤S50，依据所述储能元件的实际电流值，并结合所述储能元件的参考电流值、直流母线的实际电压值、直流母线的参考电压值，生成发电机电流参考值。

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