CN110739756B - 一种超级电容变换器功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种超级电容变换器功率控制方法，包含功率给定环节、能量平衡状态判断环节、参考电流强制执行环节和PWM允许状态判断环节四部分。功率给定环节根据高压侧电压产生自动补偿功率值，同时接收外部EMS下发的给定功率值，输出参考电流预设值；能量平衡状态判断环节判断超级电容是否需要静态时小功率充放电，以维持静态时超级电容期望的荷电状态；参考电流强制执行环节用于能量平衡充放电、临近充放电截止时电流限幅和强制放电几种特殊工况时的电流设定与限幅，以避免充放电截止时突然卸载对外部直流电网的冲击；PWM允许状态判断环节根据参考电流预设强制值和低压侧电压产生PWM允许标识，控制PWM调制信号到直流三电平主电路的输出。

Description

一种超级电容变换器功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种超级电容变换器的功率控制方法。
背景技术
对新能源和可再生能源的研究和开发，寻求提高能源利用率的先进方法，已成为全球共同关注的首要问题。作为一个能源生产和消耗大国，我们既有节能减排的需求，也有能源增长以支撑经济发展的需要，这就需要大力发展储能产业。
储能方式包括物理储能、电化学储能、电磁储能三大类，其中物理储能中的飞轮和电磁储能中的超级电容两种储能方式，具有长寿命、循环次数多，充放电时间快的优点，特别适用于需要短时间大倍率快速充放电的场合应用，也可以用于快速补充电网暂态过程或者次同步振荡相关的有功功率缺失。
超级电容还可以在大容量储能系统中与电化学储能电池配合使用，通过合理的能量管理策略，超级电容用于平抑系统中短时间尺度的快速功率波动，电化学储能电池用于维持长时间尺度的能量平衡，这样就可以大大降低快速充放电和频繁充放电对电化学储能电池的伤害，延长电化学储能电池的寿命。
超级电容一般通过DC/DC变换器实现与外部直流电网接口，实现超级电容的充放电控制。应用在超级电容充放电控制时，DC/DC变换器也称超级电容变换器。专利CN201610015017采用隔离型Buck/Boost-LLC电路实现超级电容充放电控制，Buck/Boost变换器为超级电容变换器的常用拓扑，未给出充放电控制方法；专利CN201610599055提出一种适用于超级电容的三段式充电电路及其为超级电容快速充电的硬件控制方法，不够灵活；专利CN201711373009提出一种超级电容动态充放电控制方法和装置，实现超级电容充放电的动态控制调节，未考虑整个系统对超级电容荷电状态的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种超级电容变换器的功率控制方法。
应用本发明的超级电容变换器连接在超级电容和外部直流电网之间，实现超级电容的充放电控制。所述的超级电容变换器分为直流三电平主电路和控制单元两部分，其中直流三电平主电路完成功率变换，本发明的功率控制方法在控制单元中实现。
本发明功率控制方法包含功率给定、能量平衡状态判断、参考电流强制执行和PWM允许状态判断四个环节，其中PWM为Pulse Width Modulation缩写，含义为脉冲宽度调制。所述的功率控制方法首先执行功率给定环节，功率给定环节输入高压侧电压UH和外部EMS下发的给定功率值PGiven，输出参考电流预设值IRefRef，参考电流预设值IRefRef送入后续的能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节，其中EMS为Energy Management System缩写，含义为能量管理系统；其次执行能量平衡状态判断环节，输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef，以及低压侧电压UL，输出超级电容能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr送入后续的参考电流强制执行环节；再次执行参考电流强制执行环节，输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef、能量平衡状态判断环节输出的能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，以及低压侧电压UL，完成能量平衡充放电、临近充放电截止时电流限幅、充放电截止时电流限幅和强制放电几种特殊工况时的电流设定与限幅，输出参考电流预设强制值IRefRefF，参考电流预设强制值IRefRefF送入后续的PWM允许状态判断环节；最后执行PWM允许状态判断环节，输入参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压UL，输出PWM允许标识PWMPerm，控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。
以下对所述的功率控制方法中的四个环节进行详细描述。
(1)功率给定环节
功率给定环节根据高压侧电压UH产生自动补偿功率值PForv，同时通过通讯方式接收外部EMS下发的给定功率值PGiven。
功率给定环节输入高压侧电压UH，设定参数包含高压侧设定电压UHSet、高压侧允许电压滞环环宽UHHyst、电压功率转化系数KU2P。高压侧电压UH减去高压侧设定电压UHSet，得到高压侧电压误差UHErr，高压侧电压误差UHErr经滞环后输出高压侧电压滞环误差UHErr1，滞环处理方法如公式(1)所示。
Figure BDA0002227596810000031
公式(1)中，当高压侧电压误差UHErr的绝对值小于高压侧允许电压滞环环宽UHHyst时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝0；当高压侧电压误差UHErr大于高压侧允许电压滞环环宽UHHyst时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝UHErr-UHHyst；当高压侧电压误差UHErr小于高压侧允许电压滞环环宽负值(-UHHyst)时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝UHErr+UHHyst。
高压侧电压滞环误差UHErr1乘以电压功率转化系数KU2P得到自动补偿功率值PForv；自动功率补偿值PForv加上功率给定值PGiven得到最终执行功率值PFina；最终执行功率值PFina除以低压侧电压UL得到参考电流预设值IRefRef。参考电流预设值IRefRef送入后续的能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节。
(2)能量平衡状态判断环节
能量平衡状态判断环节输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef，以及低压侧电压UL，设定参数包含期望电压值ULEB、期望电压滞环环宽ULEBHyst和能量平衡使能信号EEB，输出能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr。
当参考电流预设值IRefRef＝0和能量平衡使能信号EEB＝1时进入能量平衡状态判断流程，否则能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr均设置为0。
在能量平衡状态判断流程中，低压侧电压UL减去期望电压ULEB，得到低压侧电压误差ULErr；当低压侧电压误差ULErr大于期望电压滞环环宽ULEBHyst时，能量平衡放电标识FEBDChr设置为1；当低压侧电压误差ULErr小于0时，能量平衡放电标识FEBDChr设置为0；当低压侧电压误差ULErr小于期望电压滞环环宽负值(-ULEBHyst)时，能量平衡充电标识FEBChr设置为1；当低压侧电压误差ULErr大于0时，能量平衡充电标识FEBChr设置为0。
能量平衡状态判断环节输出能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，送入后续的参考电流强制执行环节。
(3)参考电流强制执行环节
参考电流强制执行环节用于能量平衡充放电、临近充放电截止时电流限幅、充放电截止时电流限幅和强制放电几种特殊工况时的电流设定与限幅，该环节输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef、能量平衡状态判断环节输出的能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，以及低压侧电压UL，设置参数包含超级电容充电截止电压ULMax、超级电容放电截止电压ULMin、超级电容电压正常范围滞环环宽ULNBHyst、能量平衡电流设定值IEBSet、参考电流限幅值ILim、强制放电使能信号EDCharFor，输出参考电流预设强制值IRefRefF。
在参考电流强制执行环节中，首先将输入的参考电流预设值IRefRef赋值给参考电流预设强制值IRefRefF。在参考电流强制执行环节中，包括能量平衡电流强制、临近充放电截止时电流强制、充放电截止时电流强制和最终电流强制四部分流程，对参考电流预设强制值IRefRefF进行设定和限幅。
在能量平衡电流强制流程中，如果输入的能量平衡充电标识FEBChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡电流设定值IEBSet，准备小功率充电；如果输入的能量平衡放电标识FEBDChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡设定值负值(-IEBSet)，准备小功率放电。通过能量平衡状态判断环节和能量平衡电流强制流程共同作用，可以维持静态时超级电容荷电状态在期望水平。
在临近充放电截止时电流时强制流程中，当低压侧电压UL减去超级电容放电截止电压ULMin的差值位于[0,ULNBHyst]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为
Figure BDA0002227596810000041
当低压侧电压UL减去超级电容充电截止电压ULMax的差值位于[-ULNBHyst,0]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为
Figure BDA0002227596810000042
这样，在超级电容充放电截止时，充放电电流限幅到0，避免了充放电截止时突然卸载对外部直流电网的冲击。
在充放电截止时电流强制流程中，当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin，并且强制放电使能信号EDCharFor为0，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为0，防止超级电容过放电；当低压侧电压UL大于超级电容充电截止电压ULMax，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为0，防止超级电容过充电。另外，当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin，如果强制放电使能信号EDCharFor为1时，对参考电流预设强制值IRefRefF不做限制，用于运维时通过人为强制放电将超级电容能量转移到外部直流电网，以将超级电容电压放电到安全电压，缩短运维等待时间。
在最终电流强制流程中，将参考电流预设强制值IRefRefF限定在[-ILim,ILim]区间，防止过电流。
输入的参考电流预设值IRefRef经过能量平衡电流强制、临近充放电截止时电流强制、充放电截止时电流强制和最终电流强制四个流程后，最终输出参考电流预设强制值IRefRefF，参考电流预设强制值IRefRefF送入PWM允许状态判断环节。
(4)PWM允许状态判断环节
PWM允许状态判断环节根据参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF’以及低压侧电压UL，产生PWM允许标识PWMPerm，PWM允许标识PWMPerm控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。该环节输入参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压值UL，设定参数包含超级电容充电截止电压ULMax、超级电容放电截止电压ULMin、超级电容电压正常范围滞环环宽ULNBHyst、强制放电使能信号EDCharFor，输出PWM允许标识PWMPerm。
在PWM允许状态判断环节中，分为PWM允许标识PWMPerm置1和PWM允许标识PWMPerm清0两个流程。
在PWM允许标识PWMPerm置1流程中，首先判断强制放电使能信号EDCharFor。当强制放电使能信号EDCharFor为1时，如果参考电流预设强制值IRefRefF小于0，将PWM允许标识PWMPerm设置为1。
在PWM允许标识PWMPerm置1流程中，当强制放电使能信号EDCharFor等于0时，用三个条件进行逻辑或运算，其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm设置为1。第一个条件为低压侧电压UL小于(ULMin+ULBHyst)，并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，含义为临近放电截止时只允许充电；第二个条件为低压侧电压UL大于(ULMax-ULBHyst)，并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，含义为临近充电截止时只允许放电；第三个条件为低压侧电压UL属于[(ULMin+ULBHyst),(ULMax-ULBHyst)]区间，并且参考电流预设强制值IRefRefF≠0，含义为在超级电容正常荷电状态允许充放电。
在PWM允许标识PWMPerm清0流程中，用三个条件进行逻辑或运行，其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm清0。第一个条件为低压侧电压UL小于ULMin，并且强制放电使能信号EDCharFor等于0，并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，含义为超级电容电压已经低于放电截止电压并且没有强制放电时不允许放电；第二个条件为低压侧电压UL大于充电截止电压ULMax，并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，含义为超级电容电压大于充电截止电压时不允许充电；第三个条件为低压侧电压UL属于[ULMin,ULMax]区间，并且参考电流预设强制值IRefRefF＝0，含义为在超级电容正常荷电状态且没有外部直流电网的充放电需求。
在超级电容变换器的控制单元中，经过本发明功率控制方法中的功率给定环节、能量平衡状态判断环节、参考电流强制执行环节和PWM允许状态判断环节后，输出为参考电流预设强制值IRefRefF和PWM允许状态标识PWMPerm。参考电流预设强制值IRefRefF经过斜率为IRamp的斜坡环节后输出参考电流值IRef；参考电流值IRef与低压侧电流ILP做减法运行后得到电流误差IErr，之后进入PID调节器进行闭环控制，PID调节器输出为PWM比较值CMP。PWM比较值CMP、低压侧电流ILP进入三电平PWM调制策略环节后输出PWM调制信号，采用PWM允许标识PWMPerm控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。
本发明的特点在于功率给定环节既可以根据高压侧电压产生补偿功率值，也可以接收外部EMS下发的给定功率值，补偿功率值具有无延时、响应速度快的特点，可以充分发挥超级电容快充快放、短时间尺度补偿快速功率波动的优势。本发明功率控制方法可以维持静态时超级电容荷电状态SOC(State Of Charge)在期望水平，避免超级电容过充电和过放电，避免超级电容充放电截止时突然卸载对外部直流电网的冲击，运维时通过人为强制放电方式将超级电容的能量转移到外部直流电网以缩短运维等待时间。
附图说明
图1超级电容变换器主电路和控制单元示意图；
图2超级电容变换器总体控制框图；
图3超级电容变换器能量平衡状态判断流程图；
图4超级电容变换器参考电流强制执行流程图；
图5超级电容变换器PWM允许状态判断流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
应用本发明的超级电容变换器拓扑如图1所示，分为直流三电平主电路和控制单元两部分。
直流三电平主电路为Buck/Boost三电平拓扑，包含S1、S2、S3、S4四个IGBT组成的三电平桥臂，高压侧电容C1P、C1N，直流电感LDCP、LDCN，高压侧连接外部直流电网，低压侧连接超级电容。
本发明功率控制方法在控制单元中实现，控制单元与外部EMS进行通讯，接收外部EMS下发的给定功率值PGiven，向外部EMS上传自动补偿功率值PForv。控制单元采集高压侧正半电压UHP、高压侧负半电压UHN，UHP加上UHN得到高压侧电压UH，用于生成自动补偿功率值；采集低压侧电压UL，用于超级电容充放电截止判断和荷电状态判断；采集低压侧电流ILP，用于电流闭环控制；输出PWM比较值CMP和PWM允许状态标识PWMPerm。PWM比较值CMP经三电平PWM调制策略后输出PWM调制信号，PWM允许状态标识PWMPerm决定PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许状态标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。
本发明功率控制方法包括功率给定环节、能量平衡状态判断环节、电流参考强制执行环和PWM允许状态判断环节，如图2所示。
功率给定环节中，输入外部EMS下发的给定功率值PGiven、高压侧电压UH，低压侧电压UL，根据高压侧电压UH输出自动补偿功率值PForv，同时接收外部EMS下发的给定功率值PGiven，自动补偿功率值PForv和给定功率值PGiven相加除以低压侧电压UL得到参考电流预设值IRefRef，如图2中200～204所示；参考电流预设值IRefRef送入后续的能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节，如图2中205、206。
能量平衡状态判断环节中，输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef和低压侧电压UL，输出能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，如图2中210。能量平衡状态判断环节根据超级电容荷电状态SOC，判断超级电容是否需要小功率静态充放电。能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr送入后续的参考电流强制执行环节，如图2中213。
参考电流强制执行环节中，输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef，能量平衡状态判断环节输出的能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，以及低压侧电压UL，输出参考电流预设强制值IRefRefF，如图2中211。参考电流强制执行环节在能量平衡充放电、临近充放电截止时电流限幅、充放电截止时电流限幅和强制放电几种特殊工况时电流设定与限幅。除可以维持静态时超级电容荷电状态在期望水平外，还可以避免超级电容过充电和过放电，避免超级电容充放电截止时突然卸载对外部直流电网的冲击，必要时通过人为强制放电方式将超级电容的能量转移到外部直流电网以缩短维护等待时间。参考电流预设强制值IRefRefF送入后续的PWM允许状态判断环节，参考电流预设强制值IRefRefF也用于进入斜坡环节以产生参考电流值IRef如图2中214、215；
PWM允许状态判断环节中，输入参考电流强制环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压UL，输出为PWM允许标识PWMPerm，如图2中220。PWM允许状态判断环节根据参考电流预设强制值IRefRefF和低压侧电压UL产生PWM允许标识PWMPerm，控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。
本发明功率控制方法包含以下步骤：
步骤1：控制单元从存储器EEPROM中调取运行需要的控制参数，包含高压侧设定电压UHSet、高压侧允许电压滞环环宽UHHyst、电压功率转化系数KU2P，期望电压ULEB、期望电压滞环环宽ULEBHyst、能量平衡使能信号EEB，超级电容充电截止电压ULMax、超级电容放电截止电压ULMin、超级电容电压正常范围滞环环宽ULNBHyst、能量平衡电流设定值IEBSet、参考电流限幅值ILim、强制放电使能信号EDCharFor；
步骤2：执行功率给定环节，在功率给定环节中，采集高压侧电压UH，高压侧电压UH减去高压侧设定电压UHSet，得到高压侧电压误差UHErr，如图2中200；高压侧电压误差UHErr经滞环处理输出高压侧电压滞环误差UHErr1，如图2中201，处理方法如公式(1)所示。
Figure BDA0002227596810000091
公式(1)中，当高压侧电压误差UHErr绝对值小于UHHyst时，高压侧电压滞环输出UHErr1＝0；当高压侧电压误差UHErr大于UHHyst时，高压侧电压滞环输出UHErr1＝UHErr-UHHyst；当高压侧电压误差UHErr小于(-UHHyst)时，高压侧电压滞环输出UHErr1＝UHErr+UHHyst。
高压侧电压滞环输出UHErr1乘以电压功率转化系数KU2P得到自动补偿功率值PForv，如图2中202；功率给定模块同时接收外部EMS下发的给定功率值PGiven，自动功率补偿值PForv加上给定功率值PGiven得到最终执行功率值PFina，如图2中203；最终执行功率值PFina除以低压侧电压UL得到参考电流预设值IRefRef，如图2中204。参考电流预设值IRefRef送入后续的能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节，如图2中205、206。
步骤3：执行能量平衡状态判断环节，如图3所示，在能量平衡状态判断环节中，当输入的参考电流预设值IRefRef＝0和能量平衡使能信号EEB＝1时进入能量平衡状态判断流程，如图3中300；否则能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr均设置为0，如图3中301、302。
在能量平衡状态判断流程中，低压侧电压UL减去期望电压ULEB，得到低压侧电压误差ULErr，如图3中310；当低压侧电压误差ULErr大于期望电压滞环环宽ULEBHyst时，将能量平衡放电标识FEBDChr设置为1，如图3中320、340；当低压侧电压误差ULErr小于0时，将能量平衡放电标识FEBDChr设置为0，如图3中330、341；当低压侧电压误差ULErr小于期望电压滞环环宽负值(-ULEBHyst)时，将能量平衡充电标识FEBChr设置为1，如图3中350和370；当低压侧电压误差ULErr大于0时，将能量平衡充电标识FEBChr设置为0，如图3中360、371。
步骤4：执行参考电流强制执行环节，在参考电流强制执行环节中，首先将输入的参考电流预设值IRefRef赋值给参考电流预设强制值IRefRefF；在参考电流强制环节中，执行能量平衡电流强制、临近充放电截止时电流强制、充放电截止时电流强制和最终电流强制四部分流程对参考电流预设强制值IRefRefF进行设定和限幅，如图4所示。
在能量平衡电流强制流程中，如果能量平衡放电标识FEBDChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡设定值负值-IEBSet，如图4中400、401，准备小功率放电；如果能量平衡充电标识FEBChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡电流设定值IEBSet，如图4中402、403，准备小功率充电；
在临近充放电截止时电流强制流程中，当低压侧电压UL减去超级电容放电截止电压ULMin差值位于[0,ULNBHyst]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为
Figure BDA0002227596810000101
如图4中410、411、412；当低压侧电压UL减去超级电容充电截止电压ULMax差值位于[-ULNBHyst,0]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为
Figure BDA0002227596810000102
如图4中413、414、415；
在充放电截止时电流强制流程中，当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin并且强制放电使能信号EDCharFor为0时，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为0，防止超级电容过放电，如图4中420、422、423、424；当低压侧电压UL大于超级电容电压充电截止电压ULMax时，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为0，防止超级电容过充电，如图4中430、431、432；当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin并且强制放电使能信号EDCharFor为1时，对参考电流预设强制值IRefRefF不做限制，如图4中421，用于运维时人为强制放电将超级电容能量转移到外部直流电网，以将超级电容电压放电到安全电压，缩短运维等待时间；
在最终电流强制流程中，将参考电流预设强制值IRefRefF限制在[-ILim,ILim]区间，如图4中440；
输入的参考电流预设值IRefRef经过能量平衡电流强制、临近充放电截止时电流强制、充放电截止时电流强制和最终电流强制四个流程后，输出参考电流预设强制值IRefRefF，如图2中211；参考电流预设强制值IRefRefF送入后续的PWM允许状态判断环节，参考电流预设强制值IRefRefF也用于进入斜坡环节以产生参考电流值IRef，如图2中214、215；
步骤5：执行PWM允许状态判断环节，在PWM允许状态判断环节中，依次执行PWM允许标识PWMPerm置1和PWM允许标识PWMPerm清0两个流程，如图5所示。
在PWM允许标识PWMPerm置1流程中，首先判断强制放电使能信号EDCharFor。当强制放电使能信号EDCharFor等于0时，如果参考电流预设强制值IRefRefF小于0，将PWM允许标识PWMPerm设置1，如图5中501、533、540；
当强制放电使能信号EDCharFor等于1时，如图5中500，采用三个条件进行逻辑或运算，有其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm设置1，如图5中540。第一个条件为低压侧电压UL小于(ULMin+ULBHyst)并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，如图5中510、530，含义为临近放电截止时只允许充电；第二个条件为低压侧电压UL大于(ULMax-ULBHyst)并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，如图5中520、531，含义为临近充电截止时只允许放电；第三个条件为低压侧电压UL属于[(ULMin+ULBHyst),(ULMax-ULBHyst)]区间并且参考电流预设强制值IRefRefF≠0，如图2中521、532，含义为在超级电容正常荷电状态允许充放电。
在PWM允许标识PWMPerm清0流程中，采用三个条件进行逻辑或运行，有其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm清0，如图5中590。第一个条件为低压侧电压UL小于ULMin，并且强制放电使能信号EDCharFor等于0，并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，如图5中550、560、580，含义为超级电容电压已经低于放电截止电压并且没有强制放电时不允许放电；第二个条件为低压侧电压UL大于充电截止电压ULMax，并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，如图5中551、570、581，含义为超级电容电压大于充电截止电压时不允许充电；第三个条件为低压侧电压UL属于[ULMin,ULMax]区间，并且参考电流预设强制值IRefRefF＝0，如图5中571、582，含义为在超级电容正常荷电状态且没有外部直流电网的充放电需求。
步骤6：参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF经过斜率为IRamp的斜坡环节后输出参考电流值IRef，如图2中212；参考电流值IRef与低压侧电流值ILP做减法运行后得到电流误差IErr，之后进入PID调节器进行闭环控制，PID调节器输出为PWM比较值CMP，如图2中230、231。
步骤7：PWM比较值CMP、电流值ILP进入三电平PWM调制策略输出PWM调制信号，如图2中232；PWM允许状态判断环节输出的PWM允许标识PWMPerm控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，如图2中233，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主回路。

Claims (6)

1.一种超级电容变换器功率控制方法，所述的超级电容变换器连接在超级电容和外部直流电网之间，实现超级电容的充放电控制；所述的超级电容变换器分为直流三电平主电路和控制单元两部分，其中直流三电平主电路完成功率变换，控制单元实现所述的功率控制方法，其特征在于：所述的功率控制方法包含功率给定环节、能量平衡状态判断环节、参考电流强制执行环节和PWM允许状态判断环节；所述的功率控制方法首先执行功率给定环节，功率给定环节输入高压侧电压UH和外部EMS下发的给定功率值PGiven，输出参考电流预设值IRefRef，参考电流预设值IRefRef送入能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节；其次执行能量平衡状态判断环节，能量平衡状态判断环节输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef，以及低压侧电压UL，输出超级电容能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr送入参考电流强制执行环节；再次执行参考电流强制执行环节，参考电流强制执行环节输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef、能量平衡状态判断环节输出的能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，以及低压侧电压UL，完成能量平衡充放电、临近充放电截止时电流限幅、充放电截止时电流限幅和强制放电这四种特殊工况时的电流设定与限幅，输出参考电流预设强制值IRefRefF，参考电流预设强制值IRefRefF送入PWM允许状态判断环节；最后执行PWM允许状态判断环节，PWM允许状态判断环节输入参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压UL，输出PWM允许标识PWMPerm，控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路。
2.根据权利要求1所述的超级电容变换器功率控制方法，其特征在于：所述的功率给定环节根据高压侧电压UH产生自动补偿功率值PForv，同时通过通讯方式接收外部EMS下发的给定功率值PGiven；功率给定环节输入高压侧电压UH，设定参数包含高压侧设定电压UHSet、高压侧允许电压滞环环宽UHHyst、电压功率转化系数KU2P；高压侧电压UH减去高压侧设定电压UHSet，得到高压侧电压误差UHErr，高压侧电压误差UHErr经滞环后输出高压侧电压滞环误差UHErr1；高压侧电压滞环误差UHErr1乘以电压功率转化系数KU2P得到自动补偿功率值PForv；自动功率补偿值PForv加上功率给定值PGiven得到最终执行功率值PFina；最终执行功率值PFina除以低压侧电压UL得到参考电流预设值IRefRef；参考电流预设值IRefRef送入后续的能量平衡状态判断环节和参考电流强制执行环节。
3.根据权利要求2所述的超级电容变换器功率控制方法，其特征在于：从高压侧电压误差UHErr到高压侧电压滞环误差UHErr1的处理方法如公式(1)所示：
Figure FDA0002671012370000021
公式(1)中，当高压侧电压误差UHErr的绝对值小于高压侧允许电压滞环环宽UHHyst时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝0；当高压侧电压误差UHErr大于高压侧允许电压滞环环宽UHHyst时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝UHErr-UHHyst；当高压侧电压误差UHErr小于高压侧允许电压滞环环宽负值(-UHHyst)时，高压侧电压滞环误差UHErr1＝UHErr+UHHyst。
4.根据权利要求1所述的超级电容变换器功率控制方法，其特征在于：所述的能量平衡状态判断环节输入功率给定环节输出的参考电流预设值IRefRef，以及低压侧电压UL，输出能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr；
当参考电流预设值IRefRef＝0和能量平衡使能信号EEB＝1时进入能量平衡状态判断流程，否则能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr均设置为0；
在能量平衡状态判断流程中，低压侧电压UL减去期望电压ULEB，得到低压侧电压误差ULErr；当低压侧电压误差ULErr大于期望电压滞环环宽ULEBHyst时，能量平衡放电标识FEBDChr设置为1；当低压侧电压误差ULErr小于0时，能量平衡放电标识FEBDChr设置为0；当低压侧电压误差ULErr小于期望电压滞环环宽负值(-ULEBHyst)时，能量平衡充电标识FEBChr设置为1；当低压侧电压误差ULErr大于0时，能量平衡充电标识FEBChr设置为0；
在能量平衡状态判断环节中，输出能量平衡充电标识FEBChr和能量平衡放电标识FEBDChr，送入后续的参考电流强制执行环节。
5.根据权利要求1所述的超级电容变换器功率控制方法，其特征在于：所述的参考电流强制执行环节包括能量平衡电流强制、临近充放电截止时电流强制、充放电截止时电流强制和最终电流强制四个流程；在参考电流强制执行环节中，首先将输入的参考电流预设值IRefRef赋值给参考电流预设强制值IRefRefF；输入的参考电流预设值IRefRef经过所述的四个流程设定和限幅后，最终输出参考电流预设强制值IRefRefF，参考电流预设强制值IRefRefF送入PWM允许状态判断环节；在所述的能量平衡电流强制流程中，如果输入的能量平衡充电标识FEBChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡电流设定值IEBSet，准备小功率充电；如果输入的能量平衡放电标识FEBDChr为1，将参考电流预设强制值IRefRefF设置为能量平衡设定值负值(-IEBSet)，准备小功率放电；通过能量平衡状态判断环节和能量平衡电流强制流程共同作用，维持静态时超级电容荷电状态在期望水平；
在临近充放电截止时电流强制流程中，当低压侧电压减去超级电容放电截止电压ULMin的差值位于[0,ULNBHyst]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为
Figure FDA0002671012370000031
当低压侧电压UL减去超级电容充电截止电压ULMax的差值位于[-ULNBHyst,0]区间时，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为
Figure FDA0002671012370000032
这样，在超级电容充放电截止时，充放电电流限幅到0，能够避免充放电截止时突然卸载对外部直流电网的冲击；
在充放电截止电流时强制流程中，当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin，并且强制放电使能信号EDCharFor为0，将参考电流预设强制值IRefRefF最小值限定为0，防止超级电容过放电；当低压侧电压UL大于超级电容充电截止电压ULMax，将参考电流预设强制值IRefRefF最大值限定为0，防止超级电容过充电；另外，当低压侧电压UL小于超级电容放电截止电压ULMin，强制放电使能信号EDCharFor为1时，对参考电流预设强制值IRefRefF不做限制，用于运维时通过人为强制放电将超级电容能量转移到外部直流电网，以将超级电容电压放电到安全电压，缩短运维等待时间；
在最终电流强制流程中，将参考电流预设强制值IRefRefF限定在[-ILim,ILim]区间，防止过电流。
6.根据权利要求1所述的超级电容变换器功率控制方法，其特征在于：所述的PWM允许状态判断环节根据参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压UL，产生PWM允许标识PWMPerm，PWM允许标识PWMPerm控制PWM调制信号能否输出到直流三电平主电路，只有PWM允许标识PWMPerm为1时，PWM调制信号才被允许输出到直流三电平主电路；该环节输入参考电流强制执行环节输出的参考电流预设强制值IRefRefF，以及低压侧电压值UL，设定参数包含超级电容充电截止电压ULMax、超级电容放电截止电压ULMin、超级电容电压正常范围滞环环宽ULNBHyst、强制放电使能信号EDCharFor，输出PWM允许标识PWMPerm；
在PWM允许状态判断环节中，分为PWM允许标识PWMPerm置1和PWM允许标识PWMPerm清0两个流程；
在PWM允许标识PWMPerm置1流程中，首先判断强制放电使能信号EDCharFor；当强制放电使能信号EDCharFor为1时，如果参考电流预设强制值IRefRefF小于0，将PWM允许标识PWMPerm设置为1；
在PWM允许标识PWMPerm置1流程中，当强制放电使能信号EDCharFor等于0时，用三个条件进行逻辑或运算，其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm设置为1；第一个条件为低压侧电压UL小于(ULMin+ULBHyst)，并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，含义为临近放电截止时只允许充电；第二个条件为低压侧电压UL大于(ULMax-ULBHyst)，并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，含义为临近充电截止时只允许放电；第三个条件为低压侧电压UL属于[(ULMin+ULBHyst),(ULMax-ULBHyst)]区间，并且参考电流预设强制值IRefRefF≠0，含义为在超级电容正常荷电状态允许充放电；
在PWM允许标识PWMPerm清0流程中，用三个条件进行逻辑或运行，其中一个条件满足时将PWM允许标识PWMPerm清0；第一个条件为低压侧电压UL小于ULMin，并且强制放电使能信号EDCharFor等于0，并且参考电流预设强制值IRefRefF＜0，含义为超级电容电压已经低于放电截止电压并且没有强制放电时不允许放电；第二个条件为低压侧电压UL大于充电截止电压ULMax，并且参考电流预设强制值IRefRefF＞0，含义为超级电容电压大于充电截止电压时不允许充电；第三个条件为低压侧电压UL属于[ULMin,ULMax]区间，并且参考电流预设强制值IRefRefF＝0，含义为在超级电容正常荷电状态且没有外部直流电网的充放电需求。
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