CN114421649A - 多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统 - Google Patents

多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，包括：原边线圈、多个副边线圈、多个交直流变换器以及控制器；所述原边线圈与多个副边线圈相互电磁耦合，所述交直流变换器分别连接在原边线圈于直流母线之间，以及多个副边线圈和储能系统中的各个电池单元之间，所述控制器与所有交直流变换器电连接，控制端口之间的功率流。本发明所提出系统中，只需进行移相控制，即能控制储能系统与直流母线的能量交互，又能直接控制副边各端口间的多向功率流并进行分布式的电池单元均衡控制，避免了复杂繁琐的分级分层均衡管理策略，各储能单元之间直接解耦，从而提高纯能单元均衡管理的可靠性。

Description

多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统
技术领域
本发明涉及无线电能传输与储能电池能量均衡领域，具体地，涉及一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，尤其是一种面向直流微网储能系统的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统。
背景技术
在新能源接入的直流微网中，储能被视为克服能量供需之间时间性或局部性差异的关键技术，是提升大规模新能源(如光伏)并网灵活性、经济性及安全性的重要手段。作为储能系统与直流微网之间的功率接口，直流功率变换器是储能系统能量管理的核心设备与研究热点。如图1所示，通常的直流微网储能系统的能量管理由两部分组成：与直流微网母线连接的功率接口电路和储能系统中电池单元的能量均衡电路，其中功率接口电路通常分为非隔离式与隔离式直流变换器。非隔离式直流变换器无需采用变压器就能得到较高的功率密度，但是缺乏电气隔离，不利于防止事故扩散，而隔离式直流变换器能够提供更安全可靠的功率连接。
如上所述，直流微网储能系统除了需要连接直流母线的功率接口电路同时也需要电池单元的电量均衡系统。电量均衡系统通常分为被动式与主动式两大类。被动式依靠诸如电阻消耗掉容量高电池单元的电量来达到储能系统内部各电池单元间的电量平衡，因此该类均衡方式的效率较低、损耗较高。而主动均衡方式是通过控制开关与电路将高电量电池单元的能量转移到低电量电池单元上。图2给出了几种常用的均衡方案，如基于电耦合的电池均衡系统，基于虚拟直流母线的电池均衡系统，基于磁耦合的电池均衡系统。其中基于电耦合的电池均衡系统在一个开关周期内仅能均衡相邻的电池单元，无法在一个开关周期内实现任意两个电池单元间的均衡，需要经过多级功率变换，效率与均衡速度较低。基于虚拟直流母线的电池均衡系统，可以在一个开关周期内实现任意两个电池单元间的电量均衡，但是需要经过两级dc-ac-dc功率变换。基于磁耦合的电池均衡系统可以在一个开关周期内均衡任意两个电池单元的电量，仅需要一级dc-ac-dc功率变换,效率高、体积小。但磁耦合型均衡系统需要大容量的多端口高频变压器，其中多端口绕组以及磁芯在研制过程中对设计以及制造工艺提出了更高要求，而且它在端口扩展和容量提升等方面的灵活性也显得不足。
现有的储能系统与直流微网接口电路一般仅具有双向功率流控制功能，并不具备电池的均衡功能，因此储能系统通常还需额外的电池单元均衡系统。综上所述，一个完整的面向直流微网储能系统的接口与均衡系统需具备四大功能：(1)稳态运行时，实现母线电压与储能系统间的双向功率流控制；(2)故障发生时，实现端口间的电气隔离，防止故障扩散；(3)储能系统扩容时，实现灵活的功率与电压等级调整与扩展；(4)同时具备功率接口功能与电池均衡功能，提高系统效率，功率密度，降低成本与体积。现有的储能系统接口直流变换器技术方案，都只侧重上述功能的某些侧面，难以兼而有之，同时都不具备电池均衡功能。这是制约储能系统可靠性、安全性和经济性进一步提升的关键技术挑战。
在文献1：Zheng X,Liu X,He Y,et al.Active Vehicle Battery EqualizationScheme in the Condition of Constant-Voltage/Current Charging and Discharging[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2017.中，介绍了一种蓄电池均衡电路及其控制策略。电路中采用了开关电感拓扑。该拓扑结构简单，易于控制。功率开关的反并联二极管可以提供电感电流续流路径，能量可以通过开关传递。蓄电池充放电采用恒压、恒流方式。均衡电路的相应控制策略不同。讨论了其工作原理，分析了在恒压和恒流模式下的控制策略。建立了有源电池均衡方案的仿真模型，并结合电池管理系统设计了均衡电路。并与现有的基于电感的均衡方案进行了比较。仿真和实验结果验证了理论分析的正确性。提出的电池均衡方案能够达到预期的效果。
文献1提出了一种电耦合型的电池均衡方案，能够实现电池均衡管理。然而，文献中的多开关电感拓扑没有电气隔离机制，故障容易扩散。另外，该电路不具有可拆分的分立模块，当储能系统扩容时，整个电路需要重新设计制作。同时该电路也不具备与直流母线双向功率接口功能。
在文献2：Chen Y,Liu X,Cui Y,et al.A Multi-winding Transformer Cell-to-Cell Active Equalization Method for Lithiumion batteries with reduced numberof driving circuits.2015.中提到双向单元间均衡方法可以很好地防止串联电池过充和欠充。然而，如何在低复杂度下实现快速均衡和高均衡效率仍然是一个挑战。为了解决这个问题，该文献提出了一种使用多绕组变压器的双向主动电池均衡方法。新方法允许能量通过反激操作或正激操作直接从最高电压单元转移到最低电压单元，从而提供较短的平衡路径，并保证快速的均衡速度。该文献采用低导通损耗的双向开关，以获得高均衡效率。对六个50Ah锂离子电池组进行了实验，结果表明，该方法在速度、效率和电路复杂度方面取得了良好的均衡性能。
文献2提出了一种基于多绕组变压器的磁耦合型的电池均衡方案，能够实现电池均衡管理。然而，文献中的多绕组变压器大大增加了电路体积。和文献1类似，该电路同样不具有可拆分的分立模块，当储能系统扩容时，整个电路需要重新设计制作。同时该电路也不具备与直流母线双向功率接口功能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统。
根据本发明提供的一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，包括：原边线圈、多个副边线圈、多个交直流变换器以及控制器；所述原边线圈与多个副边线圈相互电磁耦合，所述交直流变换器分别连接在原边线圈于直流母线之间，以及多个副边线圈和储能系统中的各个电池单元之间，所述控制器与所有交直流变换器电连接，控制端口之间的功率流。
优选地，所述交直流变换器包括功率逆变电路、匹配网络以及交流断路器，所述功率逆变电路连接直流母线或储能系统，所述匹配网络分别连接功率逆变电路和交流断路器，所述交流断路器连接原边线圈或副边线圈。
优选地，所述功率逆变电路采用的电路拓扑为包括半桥逆变、全桥逆变以及单管逆变中的任意一种，所述交直流变换器的工作状态包括有源逆变和主动整流；
所述匹配网络采用的补偿电路包括串联/并联谐振、T型/L型补偿网络结构；
所述交流断路器在正常运行时为闭合状态，发生故障时断开。
优选地，所述控制器与交直流变换器中的功率逆变电路电连接，对功率逆变电路中的PWM驱动信号的相位进行控制。
优选地，所述控制器对功率逆变电路中的PWM驱动信号相位的控制包括以下情况：
-当储能系统与直流母线进行能量交换时，控制原边线圈端的功率逆变电路驱动信号与所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号的相位差进行双向功率流动，且所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号相位相同；
-当储能系统中各电池单元需要进行电量均衡时，原边线圈开路，控制各副边线圈的功率逆变电路驱动信号的相位进行各电池单元间的电量均衡；
-当同时需要进行储能系统与直流母线进行能量交换以及储能系统中各电池单元的电量均衡时，通过同时调节原边线圈的功率逆变电路驱动信号与所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号来实现多路功率流的控制。
优选地，所述控制器包括直流母线与储能系统功率流控制部分以及储能系统中电池单元功率流控制部分；
所述直流母线与储能系统功率流控制部分的输出为各副边线圈对应的功率逆变电路的PWM驱动信号的相位
Figure BDA0003530646190000041
包括定电压模式和定功率模式，当直流母线受到外部交流电网控制，电压为恒定，控制器工作在定功率模式，控制储能系统与直流母线之间的传输功率Pbus恒为功率参考值Pset，当外部交流电网故障或出力不足时，控制器工作在定电压模式，控制直流母线电压Ubus恒定为母线电压参考值Uset；
所述储能系统中电池单元功率流控制部分对电池单元之间进行均衡电压，使各电池单元的端电压恒等于各电池单元电压的平均值，输出为对第k个电池单元对应的功率逆变电路PWM驱动信号的附加相位
Figure BDA0003530646190000042
在两部分控制的作用下，第k个电池单元对应功率逆变电路PWM驱动信号的相位为
Figure BDA0003530646190000043
优选地，当储能系统中某电池单元或某线圈发生故障时，对应线路中的功率逆变电路闭锁，且对应线路中交流断路器在距离故障发生时刻最近的线圈电流过零点处断开。
优选地，所述原边线圈采用多层堆叠绕制放置，每个所述副边线圈采用单层螺旋绕制，多个副边线圈堆叠放置在原边线圈的中空位置上。
优选地，在小功率场合，所述原边线圈和副边线圈采用PCB线圈，在大功率场合，所述原边线圈和副边线圈采用利兹线绕制。
优选地，当储能系统需要扩容增加电池单元时，通过添加新的交直流变换器和副边线圈，将增加的电池单元与新增的交直流变换器连接，并将新增的副边线圈于原边线圈电磁耦合。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、有利于提高直流微网储能系统能量管理的可靠性。所提出系统中，只需进行移相控制，即能控制储能系统与直流母线的能量交互(储能系统充电或放电)，又能直接控制副边各端口间的多向功率流并进行分布式的电池单元均衡控制，避免了复杂繁琐的分级分层均衡管理策略，各储能单元之间直接解耦，从而提高纯能单元均衡管理的可靠性。
2、有利于提高储能系统的安全性和经济性。所提出的无线电能传输系统能有效防止故障扩散。由于系统内各直流端口通过线圈耦合，故障部分能够方便灵活地退出运行，健全部分继续运行，而不是整个系统停机。同时集成功率接口与电池均衡两类功能，降低系统硬件体积与成本，经济性得以提升。
3、有利于提高储能系统扩容改建的灵活性。各储能单元的通过无线电能线圈耦合在一起的，因此电池单元终端可以自由接入与移出系统。只需增加新的无线电能模块和储能单元，就能实现储能系统的扩容。同理，当储能系统缩容时，也只需移除多余的模块。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为直流微网储能系统能量管理系统示意图；
图2为现有的电池单元主动均衡方案图；
图3为多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统结构图；
图4为交直流变换器结构图(其中匹配网络与断路器在某些设计中可省略)；
图5为控制器内部逻辑；
图6为故障处理策略图；
图7为扩容重构策略图；
图8为实施举例系统图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明公开一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，面向于直流微网储能系统，参照图3，本系统包括原边线圈、多个副边线圈、多个交直流变换器以及控制器；所述原边线圈与多个副边线圈相互电磁耦合，所述交直流变换器分别连接在原边线圈于直流母线之间，以及多个副边线圈和储能系统中串联的各个电池单元之间，所述控制器与所有交直流变换器电连接，控制端口之间的功率流。通过原边线圈与多个副边线圈间的高频磁场耦合，可以控制功率流从直流母线端流入储能系统或从储能系统流入直流母线端实现双向功率接口功能，或可以控制储能系统内部的任意多个电池单元间的功率流动实现电池单元间的功率均衡。
具体实现手段如下：
原边线圈和多个副边线圈是用来实现直流母线与储能系统，以及储能系统内各电池单元间的能量交互耦合装置。在小功率场合，原边和副边线圈可使用PCB线圈。在大功率场合，原边和副边线圈可使用利兹线绕制。原边和副边线圈本质上是一种高频空气隙变压器，它既实现了各直流端口之间的多向功率流动，又实现了各直流端口间的电气隔离，也避免了高频变压器的磁芯损耗和生产难题。同时通过控制可以实现多个副边线圈间的能量交换在作为储能系统与直流母线功率接口的同时实现储能系统中电池单元的电量均衡，这是本发明相比于现有技术方案的重要优势之一。
交直流变换器是线圈交流能量和直流端口直流能量之间的功率变换装置，如图4所示，它由功率逆变电路、匹配网络和交流断路器三部分组成，其中匹配网络和交流断路器可以某些情况下省略。功率逆变电路可采用不同的电路拓扑，例如半桥逆变，全桥逆变，单管逆变等，可工作在有源逆变和主动整流两种状态，交直流两侧功率可以双向流动。匹配网络采用不同补偿电路结果，例如串联/并联谐振，T型或L型补偿网络结构等。交流断路器连接变换器交流端口和线圈，在正常运行时为闭合状态，故障时断开。
在所提出的多路功率流无线电能功率传输与均衡系统中，任意多个直流端口之间的传输功率是由这些端口的逆变电路的PWM驱动信号相位差决定的。因此控制端口之间的功率流，等价于控制各端口对应逆变电路的PWM驱动信号相位。本发明的控制器如图5所示。
图5中上侧的闭环，为直流母线与储能系统功率流的控制，其作用为支撑直流母线电压或控制直流母线的功率，其输出为各副边逆变电路的PWM驱动信号的相位
Figure BDA0003530646190000061
(设发射端PWM驱动信号相位为0)。当图3中的直流母线受到外部交流电网控制，电压为恒定，控制器工作在定功率模式，控制储能系统与直流母线之间的传输功率Pbus恒为功率参考值Pset。当外部交流电网故障或出力不足时，控制器工作在定直流电压模式，控制直流母线电压Ubus恒定为母线电压参考值Uset，起到支撑直流母线电压的作用。
图5中下侧的闭环，为各储能系统中电池单元间功率流的控制，其作用为各电池单元之间的均衡电压(均衡电量)。对第k个储能单元，控制器控制其端电压uk恒等于各储能单元电压平均值
Figure BDA0003530646190000062
其输出为第k个储能单元对应端逆变电路PWM驱动信号的附加相位
Figure BDA0003530646190000071
在这两部分控制器的共同作用下，第k个储能单元对应端逆变电路PWM驱动信号的相位为
Figure BDA0003530646190000072
亦即该PWM信号与原边PWM信号的相位差。
如图6所示，当变换器某电池单元或某线圈发生短路故障时，该端口对应逆变电路闭锁，同时该端口对应的交流断路器在距离故障发生时刻最近的线圈电流过零点处断开。由于所提出的多路功率流无线电能功率传输与均衡系统采用原边对多副边线圈进行磁耦合，天然具有电气隔离效果，故障不会扩散。因此，在储能系统中串联某些电池单元损坏后，本传输功率连接与均衡系统的架构能够使故障端按上述方式退出运行，健全端的电池单元继续保持运行，剩余健全端的电池单元组成的储能系统仍然能够与直流母线交换能量。
如图7所示，当储能系统需要扩容，即增加储能系统中电池单元时，图3中原有的功率连接与均衡系统无需彻底改动，只需添加新的交直流变换器和副边线圈，即可完成储能系统扩容。图7所示的扩容重构策略，方便灵活，易于实施，这是本发明相比于现有技术方案的重要优势之一。
下面结合一具体实施方式做进一步说明。
如图8所示的多功率流无线电能接口与均衡系统，其中原边线圈采用多层堆叠绕制放置，每个副边线圈采用单层螺旋绕制，多个副边线圈堆叠放置在原边线圈的中空位置上，这样有助于保证原边与多个副边耦合强度的一致性，有助于实现更加精准的功率与能量均衡控制。本发明提出的系统和方法可以适用不同线圈结构和耦合结构，不局限于本实例中提到的线圈结构。
工作模式可以初步分为以下三类：
(1)当储能系统需要与直流母线进行能量交换时(储能系统放电或充电时，通过控制原边逆变电路驱动信号与所有副边逆变电路驱动信号相位差为来实现双向功率流动，这个时候所有副边逆变器驱动信号相位基本相同，副边的所有副边线圈功率并联，并与直流母线进行充放电操作，所有副边线圈间不进行任何能量交换。
(2)当储能系统中各电池单元间需要进行电量均衡时，原边逆变电路或断路器控制原边线圈开路来断绝原边与所有副边间的能量交换，通过控制各副边逆变电路驱动信号相位来实现储能系统内部电池单元的电量均衡。
(3)当需要同时进行储能系统与直流母线能量交换以及储能系统间电池单元间电量均衡时，可以通过同时调节原边逆变电路驱动信号与所有副边逆变电路驱动信号来实现多路功率流的控制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于，包括：原边线圈、多个副边线圈、多个交直流变换器以及控制器；所述原边线圈与多个副边线圈相互电磁耦合，所述交直流变换器分别连接在原边线圈于直流母线之间，以及多个副边线圈和储能系统中的各个电池单元之间，所述控制器与所有交直流变换器电连接，控制端口之间的功率流。
2.根据权利要求1所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：所述交直流变换器包括功率逆变电路、匹配网络以及交流断路器，所述功率逆变电路连接直流母线或储能系统，所述匹配网络分别连接功率逆变电路和交流断路器，所述交流断路器连接原边线圈或副边线圈。
3.根据权利要求2所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：
所述功率逆变电路采用的电路拓扑为包括半桥逆变、全桥逆变以及单管逆变中的任意一种，所述交直流变换器的工作状态包括有源逆变和主动整流；
所述匹配网络采用的补偿电路包括串联/并联谐振、T型/L型补偿网络结构；
所述交流断路器在正常运行时为闭合状态，发生故障时断开。
4.根据权利要求1所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：所述控制器与交直流变换器中的功率逆变电路电连接，对功率逆变电路中的PWM驱动信号的相位进行控制。
5.根据权利要求4所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：所述控制器对功率逆变电路中的PWM驱动信号相位的控制包括以下情况：
-当储能系统与直流母线进行能量交换时，控制原边线圈端的功率逆变电路驱动信号与所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号的相位差进行双向功率流动，且所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号相位相同；
-当储能系统中各电池单元需要进行电量均衡时，原边线圈开路，控制各副边线圈的功率逆变电路驱动信号的相位进行各电池单元间的电量均衡；
-当同时需要进行储能系统与直流母线进行能量交换以及储能系统中各电池单元的电量均衡时，通过同时调节原边线圈的功率逆变电路驱动信号与所有副边线圈的功率逆变电路驱动信号来实现多路功率流的控制。
6.根据权利要求5所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：所述控制器包括直流母线与储能系统功率流控制部分以及储能系统中电池单元功率流控制部分；
所述直流母线与储能系统功率流控制部分的输出为各副边线圈对应的功率逆变电路的PWM驱动信号的相位
Figure FDA0003530646180000021
包括定电压模式和定功率模式，当直流母线受到外部交流电网控制，电压为恒定，控制器工作在定功率模式，控制储能系统与直流母线之间的传输功率Pbus恒为功率参考值Pset，当外部交流电网故障或出力不足时，控制器工作在定电压模式，控制直流母线电压Ubus恒定为母线电压参考值Uset；
所述储能系统中电池单元功率流控制部分对电池单元之间进行均衡电压，使各电池单元的端电压恒等于各电池单元电压的平均值，输出为对第k个电池单元对应的功率逆变电路PWM驱动信号的附加相位
Figure FDA0003530646180000022
在两部分控制的作用下，第k个电池单元对应功率逆变电路PWM驱动信号的相位为
Figure FDA0003530646180000023
7.根据权利要求1所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：当储能系统中某电池单元或某线圈发生故障时，对应线路中的功率逆变电路闭锁，且对应线路中交流断路器在距离故障发生时刻最近的线圈电流过零点处断开。
8.根据权利要求1所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：所述原边线圈采用多层堆叠绕制放置，每个所述副边线圈采用单层螺旋绕制，多个副边线圈堆叠放置在原边线圈的中空位置上。
9.根据权利要求8所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：在小功率场合，所述原边线圈和副边线圈采用PCB线圈，在大功率场合，所述原边线圈和副边线圈采用利兹线绕制。
10.根据权利要求1所述的多向功率流无线电能传输与均衡一体化系统，其特征在于：当储能系统需要扩容增加电池单元时，通过添加新的交直流变换器和副边线圈，将增加的电池单元与新增的交直流变换器连接，并将新增的副边线圈于原边线圈电磁耦合。
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