CN112600418A - 一种混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法。包括直流母线、超级电容、蓄电池、移相全桥变换器，直流母线通过Buck/Boost变换器分别与所述超级电容、蓄电池进行连接，光伏电池与所述移相全桥变换器的输出串联，移相全桥变换器的输入接入所述直流母线，所述蓄电池和超级电容分别通过电感连接到原边全桥变换器的桥臂中点。本发明将蓄电池与超级电容进行组合，作为混合储能单元应用于光伏发电系统，在功率分配方面进行协调控制，提高蓄电池的使用寿命和整个系统的响应速度。同时，光伏电池产生的大部分能量可以直接汇入直流母线，避免了电力变换所带来的损耗，获得了效率的显著提升。

Description

一种混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法。
背景技术
传统的化石能源已经越来越难以满足人类社会的发展需求，能源生产和消费革命已刻不容缓。推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，已成为当下社会关注的焦点。可再生能源的高效开发和利用也日益成为研究的热门问题。以太阳能为例，其储量丰富，便于利用且无污染，拥有广阔的发展前景。
含新能源发电装置的多能源供电系统一般由新能源发电装置、储能装置、负载(或直流母线)以及相应的电力电子变换器组成。由于脉冲负载对于传统锂离子电池、燃料电池寿命产生影响，通常采用超级电容用于消除脉冲负载的影响，使得基于储能蓄电池和超级电容的双储能单元架构成为必然。采用多端口变换器作为多能源供电系统的能量交换枢纽，能够有效提高系统的功率密度和变换效率，然而在此过程中新能源发电产生的能量都要通过必要的电力变换才能传输到负载上，在此过程中不可避免的存在着能量损耗。随着系统功率等级的增加，电力电子变换器的体积和成本也会随之增大。如何从拓扑结构上提升整个供电系统的变换效率和功率密度，降低功率变换器的体积和重量，也成为当下研究人员关注的焦点。
因此，本发明公开了一种变换效率高、功率密度大、变换器的体积和重量小的混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法以解决现有技术存在的不足。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种混合储能四端口变换器的拓扑结构及其控制方法。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，包括直流母线、超级电容、蓄电池、光伏电池、移相全桥变换器，所述直流母线通过集成的Buck/Boost变换器分别与所述超级电容、蓄电池进行连接，所述光伏电池与所述移相全桥变换器的输出串联，所述移相全桥变换器的输入接入所述直流母线，所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器，所述蓄电池和超级电容分别通过电感连接到原边全桥变换器的桥臂中点。
进一步，所述直流母线上设置有直流侧支撑电容。
进一步，所述移相全桥变换器还包括高频变压器、副边不控整流电路。
进一步，所述原边全桥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。
进一步，所述副边不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。
进一步，所述高频变压器设置在所述原边全桥变换器与副边不控整流电路之间。
进一步，所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间另一端连接在第三开关管与第四开关管之间的原边、一端连接在第一整流管与第三整流管之间另一端连接在第二整流管与第四整流管之间的副边。
进一步，所述原边与副边的匝数比为N1:N2。
进一步，所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容。
一种混合储能四端口变换器的拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器的输出设置为0；
S2.获取占空比控制信号进行db和dsc，将电压传感器VSA采集所得的直流母线电压值vdc与设置的电压值vdcref进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入直流母线电压控制器Gv，进行限幅后得到内环电流的总参考信号iLref，对其进行一阶线性滤波，采集电流传感器CSA可得到蓄电池输出电流值ib，采集电流传感器CSB可得到超级电容输出电流值isc，将线性滤波后的低频部分作为蓄电池端口电感电流ib的电流给定信号ibref，将线性滤波后的高频部分作为超级电容端口电感电流isc的电流给定信号iscref，二者分别与各自的电感电流信号做差，其误差分别送入蓄电池电感电流控制器Gib和超级电容电感电流控制器Gisc，对控制器的输出分别进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号进行db和dsc；
S3.获取光伏太阳能电池的电压给定值vpvref，采集电压传感器VSB可得到光伏串电压值vpv，采集电流传感器CSC可得到光伏电池输出电流值ipv，之后利用MPPT算法计算得出光伏太阳能电池的电压给定值vpvref；
S4.获取移相角控制信号
Figure BDA0002803260270000031
将采集到的直流母线电压值vdc与得出的光伏太阳能电池的电压给定值vpvref作差，得到移相全桥变换器的输出电压的给定信号voref，同时，将采集到的直流母线电压值vdc与光伏串电压值vpv进行作差，得到移相全桥变换器的输出电压vo，将二者作差，得到的信号送入光伏电池电压控制器
Figure BDA0002803260270000032
将其输出进行限幅后便得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure BDA0002803260270000033
S5.驱动第一开关管、其第二开关管，将得到db作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为桥臂Leg A载波信号，产生占空比为db的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg A的第二开关管，第一开关管与其第二开关管互补导通，占空比为(1-db)，将得到db作为调制信号；
S6.，将桥臂Leg A载波信号滞后角度
Figure BDA0002803260270000041
将dsc作为调制信号，同样采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为dsc的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg B的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，占空比为(1-dsc)；
S7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(6)步骤，否则退出运行状态。
本发明所达到的有益效果为：
本发明将蓄电池与超级电容进行组合，作为混合储能单元应用于光伏发电系统，在功率分配方面进行协调控制，提高蓄电池的使用寿命和整个系统的响应速度。同时，光伏发电产生的大部分能量能够直接传输到直流母线上，无需经过电力变换，能够显著地提升整个系统的传输效率，减小功率变换器的体积。在该拓扑结构中，直流母线在作为移相全桥变换器输入的同时，通过集成的Buck/Boost变换器分别与超级电容和蓄电池进行连接，利用二者组成的混合储能系统来保持直流母线电压的稳定。同时，光伏电池与移相全桥变换器的输出相串联，同样接入直流母线，通过调节移相全桥变换器的输出电压来实现光伏电池的最大功率获取。采用本发明所述的混合储能四端口变换器的拓扑结构能够在维持直流母线电压稳定和光伏最大功率获取的基础上，能够显著提高整个光伏发电系统的变换效率，并通过混合储能单元和所设计的控制策略实现了系统能量的协调配置。
附图说明
图1为本发明提出的高效率混合储能四端口变换器的拓扑结构图。
图2为本发明所提出的高效率混合储能四端口变换器调制策略示意图。
图3为本发明所提出的高效率混合储能四端口变换器控制策略示意图。
图4是本发明控制方法图。
图中，DC Bus表示直流母线；Cdc表示直流侧支撑电容；vdc表示直流母线电压；vb表示蓄电池电压；vsc表示超级电容电压；vpv表示光伏电池电压；ib表示蓄电池输出电流；isc表示超级电容输出电流；ipv表示光伏电池输出电流；io表示直流母线电流；Lb，Lsc表示电感；CT表示隔直电容；Lo、Co为移相全桥变换器的滤波电感、滤波电容；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；D1、D2、D3、D4分别为第一、第二、第三、第四整流管；VSA、VSB表示电压传感器，CSA、CSB、CSC表示电流传感器；GLPF表示线性低通滤波器。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，包括直流母线、超级电容、蓄电池、光伏电池、移相全桥变换器。所述直流母线上设置有直流侧支撑电容Cdc，所述直流母线通过集成的Buck/Boost变换器分别与所述超级电容、蓄电池进行连接。所述光伏电池与所述移相全桥变换器的输出串联，所述移相全桥变换器的输入接入所述直流母线，所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器，所述蓄电池和超级电容分别通过电感连接到原边全桥变换器的桥臂中点。
进一步，所述移相全桥变换器还包括高频变压器、副边不控整流电路。所述原边全桥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。所述副边不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。
所述高频变压器设置在所述原边全桥变换器与副边不控整流电路之间，所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间A点的另一端连接在第三开关管与第四开关管之间B点的原边、一端连接在第一整流管与第三整流管之间C点的另一端连接在第二整流管与第四整流管之间D点的副边。其中，所述原边与副边的匝数比为N1:N2。
进一步，所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容，所述滤波电感、滤波电容设置在副边上。
进一步，本发明还包括检测控制系统，所述检测控制系统包括工控机、采集直流母线电压值的电压传感器VSA、采集光伏电池电压的电压传感器VSB、采集蓄电池输出电流的电流传感器CSA、采集超级电容输出电流的电流传感器CSB、采集光伏电池输出电流的电流传感器CSC以及运行在工控机上的直流母线电压控制器Gv、蓄电池电感电流控制器Gib、超级电容电感电流控制器Gisc、光伏电池电压控制器
Figure BDA0002803260270000061
所述控制器Gv、Gib、Gisc、
Figure BDA0002803260270000062
表示实际的PI控制器，其作用是将得到的偏差信号进行运算，得到所需的控制信号。
本发明采取移相控制+占空比的组合调制策略，在忽略死区时间的情况下，该四端口变换器的调制策略如图2所示，同一桥臂上第一开关管(第三开关管)和第二开关管(第四开关管)互补，第二开关管的占空比为db，第四开关管的占空比为dsc，相邻桥臂A、B(将第一、第二开关管所在的桥臂命名为桥臂Leg A，将第三、第四开关管所在的桥臂命名为桥臂LegB)对应开关管驱动信号之间的移相角为
Figure BDA0002803260270000063
如图3所示，本发明所提供的拓扑结构的相应的控制方法如下，直流母线电压vdc由混合储能单元进行稳定，采集直流母线电压，与直流电压给定信号做差后送入直流母线电压控制器Gv，得到内环电流的总参考信号iLref，再由一阶线性低通滤波器进行滤波，将低频部分作为蓄电池端口电感电流ib的电流给定信号ibref，将高频部分作为超级电容端口电感电流isc的电流给定信号iscref，二者分别与各自的电感电流信号做差，其误差分别送入蓄电池电感电流控制器和超级电容电感电流控制器，从而得出对应的占空比控制信号db和dsc。
同时，采集光伏电池的电压和输出电流，利用电导增量算法进行最大功率点追踪，进而得到光伏电池最大功率点处的电压给定信号vpvref，其与直流母线电压的差值即为移相全桥变换器输出电压vo的给定信号voref，将其与实际的电压vo的差值输入光伏电池电压控制器
Figure BDA0002803260270000071
将其输出进行限幅后便得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure BDA0002803260270000072
如图4所示，一种混合储能四端口变换器的拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器的输出设置为0；
S2.获取占空比控制信号进行db和dsc，将电压传感器VSA采集所得的直流母线电压值vdc与设置的电压值vdcref进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入直流母线电压控制器Gv，进行限幅后得到内环电流的总参考信号iLref，对其进行一阶线性滤波，采集电流传感器CSA可得到蓄电池输出电流值ib，采集电流传感器CSB可得到超级电容输出电流值isc，将线性滤波后的低频部分作为蓄电池端口电感电流ib的电流给定信号ibref，将线性滤波后的高频部分作为超级电容端口电感电流isc的电流给定信号iscref，二者分别与各自的电感电流信号做差，其误差分别送入蓄电池电感电流控制器Gib和超级电容电感电流控制器Gisc，对控制器的输出分别进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号进行db和dsc；
S3.获取光伏太阳能电池的电压给定值vpvref，采集电压传感器VSB可得到光伏串电压值vpv，采集电流传感器CSC可得到光伏电池输出电流值ipv，之后利用MPPT算法计算得出光伏太阳能电池的电压给定值vpvref；
S4.获取移相角控制信号
Figure BDA0002803260270000081
将采集到的直流母线电压值vdc与得出的光伏太阳能电池的电压给定值vpvref作差，得到移相全桥变换器的输出电压的给定信号voref，同时，将采集到的直流母线电压值vdc与光伏串电压值vpv进行作差，得到移相全桥变换器的输出电压vo，将二者作差，得到的信号送入光伏电池电压控制器
Figure BDA0002803260270000082
将其输出进行限幅后便得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure BDA0002803260270000083
S5.驱动第一开关管、其第二开关管，将得到db作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为桥臂Leg A载波信号，产生占空比为db的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg A的第二开关管，第一开关管与其第二开关管互补导通，占空比为(1-db)，将得到db作为调制信号；
S6.，将桥臂Leg A载波信号滞后角度
Figure BDA0002803260270000084
将dsc作为调制信号，同样采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为dsc的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg B的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，占空比为(1-dsc)；
S7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(6)步骤，否则退出运行状态。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：包括直流母线、超级电容、蓄电池、光伏电池、移相全桥变换器，所述直流母线通过集成的Buck/Boost变换器分别与所述超级电容、蓄电池进行连接，所述光伏电池与所述移相全桥变换器的输出串联，所述移相全桥变换器的输入接入所述直流母线；所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器，所述蓄电池和超级电容分别通过电感连接到原边全桥变换器的桥臂中点。
2.根据权利要求1所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述直流母线上设置有直流侧支撑电容。
3.根据权利要求1所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述移相全桥变换器还包括高频变压器、副边不控整流电路。
4.根据权利要求3所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述原边全桥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。
5.根据权利要求4所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述副边不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。
6.根据权利要求5所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述高频变压器设置在所述原边全桥变换器与副边不控整流电路之间。
7.根据权利要求6所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间另一端连接在第三开关管与第四开关管之间的原边、一端连接在第一整流管与第三整流管之间另一端连接在第二整流管与第四整流管之间的副边。
8.根据权利要求7所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述原边与副边的匝数比为N1:N2。
9.根据权利要求1所述的一种混合储能四端口变换器的拓扑结构，其特征在于：所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容。
10.一种混合储能四端口变换器的拓扑结构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器的输出设置为0；
S2.获取占空比控制信号进行db和dsc，将电压传感器VSA采集所得的直流母线电压值vdc与设置的电压值vdcref进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入直流母线电压控制器Gv，进行限幅后得到内环电流的总参考信号iLref，对其进行一阶线性滤波，采集电流传感器CSA可得到蓄电池输出电流值ib，采集电流传感器CSB可得到超级电容输出电流值isc，将线性滤波后的低频部分作为蓄电池端口电感电流ib的电流给定信号ibref，将线性滤波后的高频部分作为超级电容端口电感电流isc的电流给定信号iscref，二者分别与各自的电感电流信号做差，其误差分别送入蓄电池电感电流控制器Gib和超级电容电感电流控制器Gisc，对控制器的输出分别进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号进行db和dsc；
S3.获取光伏太阳能电池的电压给定值vpvref，采集电压传感器VSB可得到光伏串电压值vpv，采集电流传感器CSC可得到光伏电池输出电流值ipv，之后利用MPPT算法计算得出光伏太阳能电池的电压给定值vpvref；
S4.获取移相角控制信号
Figure FDA0002803260260000021
将采集到的直流母线电压值vdc与得出的光伏太阳能电池的电压给定值vpvref作差，得到移相全桥变换器的输出电压的给定信号voref，同时，将采集到的直流母线电压值vdc与光伏串电压值vpv进行作差，得到移相全桥变换器的输出电压vo，将二者作差，得到的信号送入光伏电池电压控制器
Figure FDA0002803260260000031
将其输出进行限幅后便得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure FDA0002803260260000033
S5.驱动第一开关管、其第二开关管，将得到db作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为桥臂Leg A载波信号，产生占空比为db的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg A的第二开关管，第一开关管与其第二开关管互补导通，占空比为(1-db)，将得到db作为调制信号；
S6.，将桥臂Leg A载波信号滞后角度
Figure FDA0002803260260000032
将dsc作为调制信号，同样采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为dsc的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂Leg B的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，占空比为(1-dsc)；
S7.在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(6)步骤，否则退出运行状态。
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