CN113394835A - 一种均衡充电型储能供电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种均衡充电型储能供电系统。它包括充放电控制模块、充放电均衡模块、电源输出端；所述充放电控制模块用于控制电池是放电模式还是充电模式，所述充放电控制模块采用H桥逆变电路；所述充放电均衡模块用于抑制各蓄电池容量差异引起的输出不均衡，采用隔离型双向DC/DC逆变器，所述电源输出端将稳定直流电压输出给外部系统，所述电源输出端也可对所述储能供电系统的充电。本发明通过H桥逆变电路和双向DC/DC逆变器结合，采用电池组与直流母线间的电压差变化范围控制流过DC/DC变换器的功率占比，抑制了各蓄电池容量差异引起的输出不均衡，提升电池的输出稳定性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及储能领域，尤其涉及一种均衡充电型储能供电系统。
背景技术
近年来储能技术不断发展，许多技术已在储能领域进行应用，但传统的采用蓄电池的储能方式依然是储能设备的主流。由于储能的应用领域和位置不同，各个储能装置的容量、电压等级等明显不同，传统的储能供电系统中高压大容量电池都是通过直接串并联的方式提升电池容量的。
由于蓄电池的内阻不同和运行时的动态特性不一，容易引起的容量和功率不均衡及充放电控制设备容量偏大的等问题。这些情况可能造成蓄电池的寿命降低和输出不稳定情况产生。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种均衡充电型储能供电系统，以解决高压大容量电池直接串并联所引起的容量和功率不均衡及充放电控制设备容量偏大的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种均衡充电型储能供电系统。它包括充放电控制模块、充放电均衡模块、电源输出端；所述充放电控制模块用于控制电池是放电模式还是充电模式，所述充放电控制模块采用H桥逆变电路；所述充放电均衡模块用于抑制各蓄电池容量差异引起的输出不均衡，采用隔离型双向DC/DC逆变器，所述电源输出端将稳定直流电压输出给外部系统，所述电源输出端也可对所述储能供电系统的充电。
优选地，所述充放电控制模块包括电池组，所述电池组的额定电压和直流母线电压一致，电池组进行充放电运行过程中每个电池组的容量均会发生变化，不同电池组输出电压不同，通过对电压差的控制实现系统充放电控制。
优选地，所述充放电控制模块通过输出电流方向控制实现充放电控制。
优选地，所述充放电控制模块利用隔离DC/DC变换器与H桥逆变器进行充放电控制，电池组充放电电流分为两部分，一部分经过隔离DC/DC变换器，另一部分经过串联电池组支路侧。
优选地，所述充放电控制模块通过DC/DC变换器的功率容量的占比进行分析，所述充放电控制模块采用电池组与直流母线间的电压差变化范围控制流过DC/DC变换器的功率占比。
优选地，所述充放电均衡模块采用隔离型DC/DC变换器对电感电流控制输出电压的稳定。
优选地，所述均衡充电型储能供电系统通过给定输出电流指令与采集的输出电流作差，经过PI调节器计算电压差的参考值。
优选地，所述电压差的参考值与采集实际电压差作差，进而经过PI调节器计算获得H桥内侧电感电流参考值。
优选地，所述H桥逆变器由4个MOS管、输入与输出滤波电容、输出电感组成。
优选地，所述H桥逆变器的滤波电容C采用薄膜电容，所述滤波电容用于降低电压纹波，所述输出电感用于储能元件对能量进行存储与释放。
同现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明通过H桥逆变电路和双向DC/DC逆变器结合，抑制各蓄电池容量差异引起的输出不均衡，提升电池的输出稳定性。
(2)本发明采用电池组与直流母线间的电压差变化范围控制流过DC/DC变换器的功率占比，实现了对整套系统中功率分布的控制，提升了电池输出的灵活性。
附图说明
图1为本发明提出的一种均衡充电型储能供电系统结构图；
图2为本发明提出的一种均衡充电型储能供电系统的拓扑结构图；
图3为本发明提出的一种均衡充电型储能供电系统的充放电控制模块控制流程图；
图4为本发明提出的一种均衡充电型储能供电系统输出电压的稳定控制框图；
图5为本发明提出的一种均衡充电型储能供电系统的H桥逆变器的结构图。
具体实施方式
为了能够进一步了解本发明的结构、特征及其他目的，现结合所附较佳实施例附以附图详细说明如下，本附图所说明的实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非限定本发明。
参考图1，本实施例中提出了一种均衡充电型储能供电系统，它包括充放电控制模块、充放电均衡模块、电源输出端；所述充放电控制模块用于控制电池是放电模式还是充电模式，所述充放电控制模块采用H桥逆变电路；所述充放电均衡模块用于抑制各个蓄电池容量差异引起的输出不均衡，采用隔离型双向DC/DC逆变器；所述电源输出端用于将稳定的直流电压输出给外部系统，并用于储能供电系统的反向充电。
所述充放电控制模块用于对所述均衡充电型储能供电系统的充放电方向进行控制，主要依靠输出电流的控制是充电还是放电，具体的控制公式如下：
其中，Vdc、Vb、VH分别为直流母线电压、电池组总电压、H桥输出侧电压，R为等效线路电阻。
整个电池组额定电压和直流母线电压一致，随着储能系统中电池组进行充放电运行，每个电池组的容量会发生变化，SOC不同电池组输出电压不同，使得直流母线与电池组之间出现较小的电压差。由于线路电阻很小，通过对电压差的控制就能实现系统充放电控制。在公式(1)中，Vdc恒定，在电池充放电过程中VH变化较小，通过控制VB就能调节系统输出电流的方向。
所述充放电控制模块利用隔离DC/DC变换器与H桥逆变器进行充放电控制，电池组充放电电流分为两部分，一部分经过隔离DC/DC变换器，一部分经过串联电池组支路侧。由于直流母线与电池组间电压差较小，因此充放电控制设备中流过的功率较小，降低控制所用的隔离DC/DC变换器的功率容量。直流母线与串联电池组间的电压差有正有负，因此采用一个单相H桥逆变器来输出正负电平进行补偿。
对部分功率控制的模式来实现系统稳定运行，对工作运行中功率流向进行分析，对通过DC/DC变换器的功率容量的占比进行分析。
如图2所述，本专利提供一种基于功率流向的所述充放电控制模块控制流程。串联的各个电池组输出端与隔离型双向DC/DC变换器相连，因此电池组输出电流有两个去向，一部分经过并联均衡控制电路，另一部分经过充放电控制电路。令储能系统输出电流流向直流母线的方向为正方向，整个系统运行过程中可以分成四个模式：(a)当直流母线电压与电池组的电压差为正，储能系统输出电流为正；(b)当直流母线电压与电池组的电压差为正，储能系统输出电流为负；(c)当直流母线电压与电池组的电压差为负，储能系统输出电流为正；(d)当直流母线电压与电池组的电压差为负，储能系统输出电流为负。为具体分析流程如下：
S1：令储能供电系统输出电流流向方向为正方向；
S2：分析直流母线电压与电池组的电压差的正负；
S3：分析储能系统输出电流的正负；
S4：根据步骤S2与S3的结果确定系统运行在(a)(b)(c)(d)哪种模式；
S5：根据运行模式确定电池组充电还是放电。
进一步，所述均衡充电型储能供电系统中的充放电均衡模块的实施方式如下：。
参考图3，本发明提供了一种均衡充电型储能供电系统的电气拓扑结构。该电气拓扑结构中输出为直流Vdc、电阻R为等效线性电阻、并联均衡电流中包括多个蓄电池和2个DC/DC隔离电路，充放电控制电路由串联侧电容C0，并联侧电容C1和线路电感L0、L1组成。两台DC/DC进行串并联，并联侧与一台H桥逆变器相连。各电池组输出电压额定电压为24V，并联均衡电路输出侧电压保持恒定为20V，系统额定输出电流为6A，直流母线电压值为48V，直流母线与电池组间电压差变化范围为(-4V-+4V)。
由于储能系统进行充放电控制，使得电池组总电压与H桥输出电压之和保持稳定，等于直流母线电压，因此系统实际输出总功率与流过DC/DC变换器的功率之间的关系为4/48V＝8.3％。
基于上述的系统拓扑结构，采用电池组与直流母线间的电压差变化范围控制流过DC/DC变换器的功率占比。当电压差越小时，流过充放电控制设备的功率就越小。该系统降低了DC/DC变换器的功率容量，使用比较小功率容量的DC/DC变换器就能实现对大功率的系统的进行充放电控制，进而以小控大。
所述充放电均衡模块选择的隔离型DC/DC变换器通过对电感电流的控制来实现输出电压稳定。在储能系统工作运行后，电池组进行充放电，各电池组容量会发生变化，SOC不同电池组输出电压不同。为了提高电池组的性能与整体容量利用率，对各电池组采用SOC均衡控制，通过调节各电池组输出电流，使得SOC值大的电池组输出电流变大，SOC值小的电池组输出电流变小，当各电池组容量均衡后，电池组输出电流保持一致。由于电池组输出电流与DC/DC变换器电感电流保持正相关，控制电感电流就能调节电池组的输出电流，经过一段时间的调节之后，使得最后各电池组的SOC均衡，同时变换器并联侧电压一直能保持恒定。
整个系统的通过给定输出电流指令与采集的输出电流作差，经过PI调节器计算，得到电压差的参考值，然后和采集的实际电压差作差，经过PI调节器计算，得到H桥内侧电感电流参考值，最后跟采集的H桥内侧电感电流比较，通过PI调节器产生调制波，进行载波移相调制，实现对电池组与直流母线间的电压差控制，从而完成系统的充放电控制。
所述充放电均衡模块利用DSP完成系统的核心控制算法，包括AD采样与转换、过压过流保护、启动与停止控制、移相控制、系统控制策略算法等，并利用CPLD对开关管脉冲进行处理，包括添加死区、非移相桥开关管脉冲发生、故障指示，采用RS-485协议进行通讯，在触摸屏上实时修改系统的控制指令和PI等基本控制参数。
参考图4，本发明提出了一种并联均衡电路输出电压的稳定控制框图。为了实现并联均衡电路输出电压的稳定，采用的是单台电压电流双闭环稳压控制策略，它能对输出电压的进行准确的控制。以输出侧电感电流环作为内环，输出电压环作为外环对输出电压来实行控制。给出电压参考值，通过采集实际输出电压作为反馈值，两个值作差后通过PI调节器计算出的值作为电流内环的给定值，最后由电流环PI控制器计算出最终的移相时间，调节占空比对输出电压实行控制。
参考图5，本发明提供了H桥逆变器的结构图。H桥逆变器由四个MOS管、输入与输出滤波电容、输出电感组合而成。由于其输出电压为正负电平，因此滤波电容C2应选择薄膜电容。滤波电容起到降低电压纹波的作用，电感则是作为储能元件对能量进行存储与释放。RL为包含滤波电感的导通电阻、开关器件的导通电阻、逆变全桥的死区效应以及线路阻抗等综合因素的等效串联电阻，Vdc为逆变全桥的输出电压，V0为逆变电源输出电压，Vab为逆变电源输入电压。在H桥工作中，也可以等效为Buck电路，因此进行PI参数设计选择基本与DC/DC变换器一样，电压环比例与积分参数选择800，电流环比例与积分参数选择200。
需要声明的是，上述发明内容及具体实施方式意在证明本发明所提供技术方案的实际应用，不应解释为对本发明保护范围的限定。本领域技术人员在本发明的精神和原理内，当可作各种修改、等同替换或改进。本发明的保护范围以所附权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种均衡充电型储能供电系统，其特征在于，所述储能供电系统包括充放电控制模块、充放电均衡模块、电源输出端；其中，所述充放电控制模块用于控制电池是放电模式还是充电模式，所述充放电控制模块采用H桥逆变电路；所述充放电均衡模块用于抑制各蓄电池容量差异引起的输出不均衡，采用隔离型双向DC/DC逆变器，所述电源输出端将稳定直流电压输出给外部系统，所述电源输出端也可对所述储能供电系统的充电。
2.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述充放电控制模块包括电池组，所述电池组的额定电压和直流母线电压一致，所述电池组进行充放电运行过程中每个电池组的容量均会发生变化，不同电池组输出电压不同，通过对电压差的控制实现对所述均衡充电型储能供电系统的充放电控制。
3.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述充放电控制模块通过输出电流方向控制实现充放电控制。
4.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述充放电控制模块利用隔离DC/DC变换器与H桥逆变器进行充放电控制，电池组充放电电流分为两部分，一部分经过隔离DC/DC变换器，另一部分经过串联电池组支路侧。
5.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述充放电控制模块通过DC/DC变换器的功率容量的占比进行分析，所述充放电控制模块采用电池组与直流母线间的电压差变化范围控制流过DC/DC变换器的功率占比。
6.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述充放电均衡模块采用隔离型DC/DC变换器对电感电流控制输出电压的稳定。
7.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述均衡充电型储能供电系统通过给定输出电流指令与采集的输出电流作差，经过PI调节器计算电压差的参考值。
8.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述电压差的参考值与采集实际电压差作差，进而经过PI调节器计算获得H桥内侧电感电流参考值。
9.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述H桥逆变器由4个MOS管、输入与输出滤波电容、输出电感组成。
10.根据权利要求1所述的储能供电系统，其特征在于，所述H桥逆变器的滤波电容C采用薄膜电容，所述滤波电容用于降低电压纹波，所述输出电感用于储能元件对能量进行存储与释放。
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|---|---|---|---|---|
| CN115663979A (zh) * | 2022-12-13 | 2023-01-31 | 麦田能源有限公司 | 电池包的电压均衡方法、电池储能供电系统以及电子装置 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 刘杰: "基于部分功率控制的电池储能系统设计", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅱ辑》 * |
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| CN115663979A (zh) * | 2022-12-13 | 2023-01-31 | 麦田能源有限公司 | 电池包的电压均衡方法、电池储能供电系统以及电子装置 |
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