CN116937742A - 基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路及方法，其方法无需传统的集中式直流/直流变换器即可有效抑制流入电池组的二倍频纹波电流，延迟电池组寿命。本发明中的可重构电池系统具备多电平变换器特性，通过采用NLC‑PWM混合调制方法，大幅降低了对无源电感值的要求，进而降低了系统体积，提高系统功率密度；可重构电池系统采用低压功率开关，在NLC‑PWM调制下，仅有单个或极少数低压开关处于高频动作，因此相较于传统的集中式直流/直流变换器开关损耗可忽略不计，提高了系统整体效率。
Description
技术领域
本发明属于电池技术及电力系统储能优化技术领域，具体涉及一种基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路及方法。
背景技术
随着可再生能源和电动汽车的快速发展，电化学储能系统成为了未来电力系统的重要组成部分，其中锂电池由于其灵活性、高能量密度、长循环寿命得到了广泛的应用。在电池储能系统中，多个电池串联形成电池组串，然后通过逆变器实现直流转换为交流从而实现并网充放电；然而单相储能系统中，由于交流侧输出功率存在二倍频脉动成分，根据功率守恒，将在直接侧产生以二倍于交流侧频率脉动的交流电流，该二次脉动电流电流将流入前级电池组串，引起电池额外发热，降低电池寿命，从而降低电池组串安全性及储能系统经济效益。
目前市面上大多相关产品一般采用两级式储能变流器中的直流/直流变换器环节通过控制增加电池侧支路在二倍频处的阻抗，进而抑制流入电池组的二倍频电流。如公开号为CN113394959B的中国发明专利提供了一种基于脉动功率反馈的二次脉动电流抑制系统及方法；又如公开号为CN102843020B的中国发明专利提供了一种两级式逆变器中前级变换器二次脉动电流的抑制方法及其控制电路；但此类方法的不足在于：需要额外的一级直流/直流变换器，而传统的直流/直流变换器需要较大的无源电感，且开关损耗较大，因此增加了系统损耗、体积与成本。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路及方法，该电路及方法在避免二倍频纹波电流对电池的不良影响的同时，大幅降低了系统对无源电感的需求，且大幅降低了系统的开关损耗，提高系统的整体效率。
一种基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路，包括：基于级联半桥模块的可重构电池系统、电感L、电容C、单相双向DC/AC变换器、滤波电感Lf以及滤波电容Cf；其中可重构电池系统的正极与电感L的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端相连，电容C的另一端与可重构电池系统的负极相连，电容C两端接单相双向DC/AC变换器的直流侧，单相双向DC/AC变换器交流侧的正极与滤波电感Lf的一端相连，滤波电感Lf的另一端与滤波电容Cf的一端相连，电容Cf的另一端以及单相双向DC/AC变换器交流侧的负极接负载或交流电网。
进一步地，所述可重构电池系统由多个半桥电池模块级联组成，所述半桥电池模块包含一个单体电池以及两个高频动作的功率开关S11和S12，单体电池的正极与功率开关S11的一端相连，功率开关S11的另一端与功率开关S12的一端相连作为半桥电池模块的正极，单体电池的负极与功率开关S12的另一端相连作为半桥电池模块的负极。
进一步地，所述功率开关S11和S12可采用功率半导体开关如MOSFET、IGBT等，或采用可高频动作的电子开关、电磁开关。
进一步地，所述功率开关S11和S12的驱动信号相位互补，从而实现充放电过程中单体电池的投入或旁路，而不影响系统的正常输出。
进一步地，所述可重构电池系统包含一个系统控制器，其根据直流母线电压(电容C两端电压)和电感电流(流经电感L的电流)，采用闭环稳压控制和调制算法为系统中的功率开关提供驱动信号，用以控制每个单体电池的投入或旁路，使系统产生所需的输出电压。
上述二倍频纹波电流抑制电路的二倍频纹波电流抑制方法，包括如下步骤：
(1)在系统充放电过程中，实时采集系统直流母线电压Vbus，并将其与Vref做差后经过电压环调节器(PI调节)得到直流成分的控制量Vc_dc，Vref为给定的直流母线电压稳态指令值；
(2)实时采集电感电流iL，使iL经过带通滤波器处理后只保留其二倍频分量iripple，进而将iripple与一个虚拟阻抗rs相乘后得到二次脉动电流成分的控制量Vc_ripple；
(3)将控制量Vc_dc与Vc_ripple做差后得到系统的总体控制量Vc；
(4)根据控制量Vc采用NLC(Nearest Level Control，最近电平控制)-PWM混合调制算法实时计算系统所要投入的单体电池数量m以及进行PWM开关切换投入电池的占空比d；
(5)系统控制器将投入m个单体电池以及1个以占空比d进行PWM开关切换投入的单体电池。
进一步地，所述步骤(4)中采用的NLC-PWM混合调制算法为：首先通过以下公式计算系统所要投入的单体电池数量m；
进而通过以下公式计算占空比d；
其中：Vcell为单体电池的额定电压，为向下取整函数。
进一步地，所述二倍频纹波电流抑制方法通过将电感电流iL中的二倍频成分iripple与虚拟阻抗rs相乘后反馈至电压补偿环节，等效为增加了电感支路在二倍频处的阻抗，其传递函数如下：
其中：KPWM为PWM调制环节的等效比例系数，Hv为直流母线电压采样环节的比例系数，GBPF(s)为带通滤波器的传递函数，Gv(s)为电压环调节器的传递函数，s为拉普拉斯算子，L为电感L的电感值。
鉴于上述技术方案，本发明具有以下有益技术效果：
1.本发明能够显著抑制流入前级电池侧的二倍频纹波电流，从而降低二倍频纹波电流对电池寿命的不良影响，提高储能系统寿命。
2.本发明采用可重构电池系统设计，无需额外的一级直流/直流变换器进行直流侧稳压控制，同时由于采用了NLC-PWM混合调制方案，充放电过程中只有一个或极少数单体电池的半桥开关处于高频动作状态，因此开关器件开关损耗可以忽略不计，提高系统整体效率。
3.本发明利用可重构电池系统多电平变换器特性，结合NLC-PWM混合调制方案，大幅降低了对无源电感的感值要求，进而大幅降低了无源电感体积，提高系统整体功率密度。
附图说明
图1为现有两级式单相储能交直流变换系统的结构框图。
图2为本发明基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路结构框图。
图3为本发明基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制方法的控制框图。
图4为本发明实施例中进行二倍频纹波抑制时的系统稳态实验波形示意图。
图5为本发明实施例中进行二倍频纹波抑制时负载突变时的系统动态实验波形示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示为现有两级式单相储能交直流变换系统结构，它由传统固定连接电池组接集中式直流/直流变换器，后接单相双向储能变流器组成；由于交流侧的瞬时输出功率中包含二倍于输出电压频率的脉动功率，使得直流侧存在二倍于输出电压频率的二倍频纹波电流，该二倍频纹波电流会流入电池，对电池寿命造成不良影响。现有方案通常利用一级集中式直流/直流变换器进行二倍频纹波抑制控制，但增加了系统的损耗、体积和复杂度。
如图2所示为本发明基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路结构，本发明的关键在于利用可重构电池系统替代传统的固定连接电池组和集中式直流/直流变换器。可重构电池系统包括N节单体电池，相邻单体电池通过一个串联开关和一个并联开关组成的半桥电路级联连接，该串联开关和并联开关组成开关对，两开关的控制信号互相取反，实现单体电池的动态接入和旁路。可重构电池系统输出的正极接入电感L的一侧，电感的另一侧接电容C的正极，可重构电池系统输出的负极接电容C的负极，电容C接单相双向变流器的直流侧，单相双向变流器的交流侧正极输出接滤波电感Lf的一侧，滤波电感Lf的另一侧接滤波电容Cf的一侧，滤波电容Cf的另一侧接交流电网。
集中式直流/直流变换器由于采用高压功率开关器件以及较高的开关频率，开关损耗较大，同时高压功率器件开关动作时输出电压跳变较大，对无源电感的感值要求较大，进而增加了系统体积。而本发明可重构电池系统具有多电平变换器特性，采用NLC-PWM混合调制方案，大幅降低了系统开关损耗和对无源电感的要求。
如图3所示为本发明基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制方法的控制框图，通过将电感电流中的二倍频成分iripple与虚拟阻抗rs相乘后反馈至电压补偿环节输入端，从而等效为增加了电感支路在二倍频处的阻抗，从而使得直流侧的二倍频纹波电流更多地流入中间母线电容，而不是电池；其具体步骤如下：
步骤一：对直流成分的控制采样电压环闭环控制结构；在充放电过程中，系统控制器实时采样直流母线电压采样信息Vbus，Vbus与给定的直流母线电压稳态值的指令信号Vref做差经过电压环调节器Gv(s)得到直流成分的控制量Vc_dc；
步骤二：对电感电流上二次脉动电流的抑制：系统控制器根据实时采样的电感电流iL通过带通滤波器GBPF(s)处理后只保留其二倍频分量iripple；iripple与一个虚拟阻抗rs相乘后得到二次脉动电流成分的控制量Vc_ripple；
步骤三：将直流成分的控制量Vc_dc与二次脉动电流成分的控制量Vc_ripple做差，得到可重构电池系统总体控制量Vc；
步骤四：根据控制量Vc，利用可重构电池系统通过最近电平控制(Nearest LevelControl，NLC)-PWM混合调制方法生成控制投入的单体电池数量及进行PWM开关动作的电池占空比，具体调制方法如下：
4.1计算投入单体电池数量m的公式为：
其中：Vcell为单体电池电压额定值；
4.2计算进行PWM开关动作的电池占空比d的公式为：
本发明控制策略在可重构电池系统配套的系统控制器中执行，同时系统控制器根据计算得到的投入单体电池数m和占空比d，在电池系统中选择对应的单体电芯进入投入和开关动作，从而提供直流侧所需电压。
本发明二倍频纹波电流抑制方法的原理为：通过将电感电流中的二倍频成分iripple与虚拟阻抗rs相乘后反馈至电压补偿环节输入端，从而等效为增加了电感支路在二倍频处的阻抗，其传递函数公式为：
其中：KPWM为PWM调制环节等效比例系数，Hv为直流母线电压采样环节比例系数。通过增大虚拟阻抗rs，即可增大电感支路在二倍频处的阻抗，从而使得二倍频纹波电流更多地流入中间母线电容，从而降低其对电池寿命的不良影响。
本实施例基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路配置参数如下：
可重构电池组输入电压范围：Vin＝120～200V
额定输出电压：Vref＝110V
后级逆变器输出电压：Vac＝60V
后级逆变器输出频率：fo＝50Hz
后级逆变器额定输出功率：Po＝330VA
直流侧滤波电感：L＝100μH
直流侧母线电容：C＝480μF
可重构电池组开关频率：fs＝20kHz
本实施例中采用的带通滤波器为数字滤波器，但也可以采用硬件电路实现，只要能从电感电流采样信号中提取其二倍频纹波成分即可，电压调节器可以采用PI调节器，亦可采用其它形式的补偿网络。
如图4所示为本实施例基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路的稳态实验波形，图中从上至下分别为中间母线电容电压、电池侧电流、交流侧输出电压以及交流侧输出电流。由图4可见电池侧电流中的二倍频纹波脉动被抑制在5％以内，说明本发明基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制方法可以有效地抑制流入电池组中的二倍频纹波电流。
如图5所示为本实施例基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路的动态实验波形，图中从上至下分别为中间母线电容电压、电池侧电流、交流侧输出电压以及交流侧输出电流。由图5可见，在逆变器输出由空载突变为满载和由满载突变为空载的动态过程中，中间母线电压的跌落和过冲分别为19V和14V，动态切换时间分别为70ms和80ms。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于可重构电池系统的二倍频纹波电流抑制电路，包括：基于级联半桥模块的可重构电池系统、电感L、电容C、单相双向DC/AC变换器、滤波电感Lf以及滤波电容Cf；其中可重构电池系统的正极与电感L的一端相连，电感L的另一端与电容C的一端相连，电容C的另一端与可重构电池系统的负极相连，电容C两端接单相双向DC/AC变换器的直流侧，单相双向DC/AC变换器交流侧的正极与滤波电感Lf的一端相连，滤波电感Lf的另一端与滤波电容Cf的一端相连，电容Cf的另一端以及单相双向DC/AC变换器交流侧的负极接负载或交流电网。
2.根据权利要求1所述的二倍频纹波电流抑制电路，其特征在于：所述可重构电池系统由多个半桥电池模块级联组成，所述半桥电池模块包含一个单体电池以及两个高频动作的功率开关S11和S12，单体电池的正极与功率开关S11的一端相连，功率开关S11的另一端与功率开关S12的一端相连作为半桥电池模块的正极，单体电池的负极与功率开关S12的另一端相连作为半桥电池模块的负极。
3.根据权利要求2所述的二倍频纹波电流抑制电路，其特征在于：所述功率开关S11和S12可采用功率半导体开关如MOSFET、IGBT，或采用可高频动作的电子开关、电磁开关。
4.根据权利要求2所述的二倍频纹波电流抑制电路，其特征在于：所述功率开关S11和S12的驱动信号相位互补，从而实现充放电过程中单体电池的投入或旁路，而不影响系统的正常输出。
5.根据权利要求2所述的二倍频纹波电流抑制电路，其特征在于：所述可重构电池系统包含一个系统控制器，其根据直流母线电压和电感电流，采用闭环稳压控制和调制算法为系统中的功率开关提供驱动信号，用以控制每个单体电池的投入或旁路，使系统产生所需的输出电压。
6.如权利要求1～5任一权利要求所述二倍频纹波电流抑制电路的二倍频纹波电流抑制方法，包括如下步骤：
(1)在系统充放电过程中，实时采集系统直流母线电压Vbus，并将其与Vref做差后经过电压环调节器得到直流成分的控制量Vc_dc，Vref为给定的直流母线电压稳态指令值；
(2)实时采集电感电流iL，使iL经过带通滤波器处理后只保留其二倍频分量iripple，进而将iripple与一个虚拟阻抗rs相乘后得到二次脉动电流成分的控制量Vc_ripple；
(3)将控制量Vc_dc与Vc_ripple做差后得到系统的总体控制量Vc；
(4)根据控制量Vc采用NLC-PWM混合调制算法实时计算系统所要投入的单体电池数量m以及进行PWM开关切换投入电池的占空比d；
(5)系统控制器将投入m个单体电池以及1个以占空比d进行PWM开关切换投入的单体电池。
7.根据权利要求6所述的二倍频纹波电流抑制方法，其特征在于：所述步骤(4)中采用的NLC-PWM混合调制算法为：首先通过以下公式计算系统所要投入的单体电池数量m；
进而通过以下公式计算占空比d；
其中：Vcell为单体电池的额定电压，为向下取整函数。
8.根据权利要求6所述的二倍频纹波电流抑制方法，其特征在于：该方法通过将电感电流iL中的二倍频成分iripple与虚拟阻抗rs相乘后反馈至电压补偿环节，等效为增加了电感支路在二倍频处的阻抗，其传递函数如下：
其中：KPWM为PWM调制环节的等效比例系数，Hv为直流母线电压采样环节的比例系数，GBPF(s)为带通滤波器的传递函数，Gv(s)为电压环调节器的传递函数，s为拉普拉斯算子，L为电感L的电感值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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