一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于双有源全桥变换器混合储能系统及其控制方法：由超级电容，锂电池，双有源全桥变换器，Buck/Boost双向变换器和直流母线构成，两种储能设备形成一种级联型的混合储能系统。超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，采用移相闭环控制，通过采集直流母线电压信息，自动调节混合储能系统输出功率，以稳定直流母线电压。锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，采用电压电流双闭环控制，通过采集超级电容的电压控制锂电池的自动充放电，使超级电容的电压维持在工作电压范围内，对直流微电网功率波动进行间接补偿，以减少锂电池动作频率，有效延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统及其控制方法
本专利技术涉及直流微电网混合储能领域，具体是一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统及其控制方法。
技术介绍
随着环境污染问题的严重加剧和新能源需求的日益增加，直流微电网技术的发展得到了越来越多的关注。微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、电力电子变换器以及监控保护装置有机整合在一起的发配电系统。在直流微电网中，由于分布式电源输出功率的间歇性和随机性，储能系统成为直流微电网的重要组成部分，用于维持直流微电网内部的功率平衡，并稳定直流母线电压。混合储能系统利用超级电容和锂电池在性能上的优势互补性，将它们混合使用，通过接口变换器连接至直流母线，通过采用合理的控制策略，提高储能系统的整体性能。储能系统通过双向DC/DC变换器与直流母线相连接，通过采集直流母线电压信息和储能系统的运行状态，来控制储能系统的充放电。有关学者设计了采用两个Buck/Boost双向变换器分别将超级电容和锂电池连接至直流母线，再将两部分并联的混合储能系统。一般在电压变换等级要求较低的情况下，采用这种混合储能系统具有电路结构简单，电路元件少，控制方式简便的优势。但在较高的电压变换等级要求下，由于Buck/Boost双向变换器的升压比较小，开关损耗大，使得储能设备的额定电压必须提高，带来储能设备单体之间的不平衡问题。并且采用Buck/Boost双向变换器与直流母线直接连接的储能系统，不具有电气隔离性能，储能系统的安全性较低。因此需要专利技术一种新的混合储能系统，解决现有混合储能系统中存在的问题，以提高混合储能系统的整体运行性能。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的混合储能系统中变压比小，缺乏电气隔离性能，锂电池充放电频繁，寿命短的问题，提供了一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统及其控制方法。本专利技术是通过如下技术方案实现的。一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统，包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。将上述两种储能设备组合形成一种级联型的混合储能系统。一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统的控制方法如下：双有源全桥变换器的控制方法为：移相闭环控制，即设定混合储能系统给定参考电压Uref与直流母线电压Udc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D1的值，然后移相占空比D1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双有源全桥变换器的开关管进行移相PWM调制。双有源全桥变换器为移相闭环控制，目的是通过直流母线电压信息，自动调节混合储能系统输出功率，以稳定直流母线电压。Buck/Boost双向变换器的控制方法为：电压电流双闭环控制，即设定超级电容给定参考电压Usc_ref与超级电容电压Usc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过电流限幅器后得出锂电池参考输出电流Ibat_ref，再与锂电池输出电流Ibat相比较后送入电流PI调节器，电流PI调节器输出值作为Buck/Boost双向变换器的占空比值D2，然后占空比值D2经过PWM发生器输出PWM波形对Buck/Boost双向变换器的开关管进行PWM调制。Buck/Boost双向变换器为电压电流双闭环控制，目的是根据超级电容的电压控制锂电池的自动充放电，使超级电容的电压维持在工作电压范围内，对直流微电网功率波动进行间接补偿，以减少锂电池动作频率，有效延长其使用寿命。超级电容的控制方法为：设定超级电容与双有源全桥变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定直流母线电压UDC为其额定电压，对其进行分区，ULD3<ULD2<ULD1<UDC<UHD1<UHD2<UHD3为双有源全桥变换器工作的电压阈值。[ULD3，ULD2)为LD（LimitedDischarge,限流放电）区间，[ULD2，ULD1]为D（Discharge，放电）区间，(ULD1，UHD1)为S（Space,空闲）区间，[UHD1，UHD2]为C（Charge,充电）区间，(UHD2，UHD3]为LC（LimitedCharge，限流充电）区间。UHD3和ULD3分别为直流系统能保持正常运行时对应的母线电压极值。UHD2和ULD2分别为混合储能系统的充电电流和放电电流达到极限时所对应的母线电压，为保证混合储能系统良好的工作，UHD2和ULD2应该在母线电压允许的最大波动范围以内，通常取直流母线额定电压的±5%。UHD1和ULD1分别为混合储能系统起始充电和放电的电压临界值，以避免直流母线电压Udc正常产生很小的波动时双有源全桥变换器的频繁动作，通常取直流母线额定电压的±1%~±2%。Udc为直流母线电压实际值，超级电容的工作状态为：（1）当Udc在LD区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在限流放电状态，通过双有源全桥变换器，以最大放电电流将能量传输给直流母线；（2）当Udc在D区间内，直流母线电压低于参考值，超级电容工作在放电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的放电电流将能量传输给直流母线；（3）当Udc在S区间内，直流母线电压稳定在参考值附近，超级电容工作在空闲状态，不与直流母线进行能量交换；（4）当Udc在C区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在充电状态，通过双有源全桥变换器，以移相控制所调制出的充电电流吸收直流母线的能量；（5）当Udc在LC区间内，直流母线电压高于参考值，超级电容工作在限流充电状态，通过双有源全桥变换器，以最大充电电流吸收直流母线的能量。所述锂电池的控制方法为：设定锂电池与Buck/Boost双向变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定超级电容电压USC为其参考电压，对其进行分区，ULS3<ULS2<ULS1<USC<UHS1<UHS2<UHS3为Buck/Boost双向变换器工作的电压阈值。[ULS3，ULS2)为LD区间，[ULS2，ULS1]为D区间，(ULS1，UHS1)为S区间，[UHS1，UHS2]为C区间，(UHS2，UHS3]为LC区间。UHS3和ULS3分别为超级电容能保持正常运行时对应的电压极值，通常由超级电容的本身特性决定。超级电容电压参考值USC为其荷电状态一半所对应的电压。UHS2和ULS2分别为锂电池所规定的限流放电和充电所对应的电压值，通常取超级电容电压所设定电压USC的±60%~±80%。UHD1和ULD1分别为锂电池起始充电和放电的电压临界值，该值通过系统中锂电池和超级电容的容量配比结合需要设置的锂电池充放电频率决定，通常取超级电容电压所设定电压USC的±10%~±50%，所设定的[ULS1,UHS1]范围越窄，锂电池充放电次数越频繁。举例：超级电容额定电压48V，根据超级电容规定设定ULS3=4V，UHS3=50V，USC=24V，[ULS1,UHS1]取设定电压USC的±50%，则ULS1=12V，UHS1=36V，超级电容实际值与参本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统，其特征在于：包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器以及直流母线；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统，其特征在于：包括超级电容、锂电池、双有源全桥变换器、Buck/Boost双向变换器以及直流母线；所述超级电容通过双有源全桥变换器与直流母线连接，所述双有源全桥变换器采用移相闭环控制；所述锂电池通过Buck/Boost双向变换器与超级电容连接，所述的Buck/Boost双向变换器采用电压电流双闭环控制。2.根据权利要求1所述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统，其特征在于：锂电池和Buck/Boost双向变换器整合为模块Ⅰ，超级电容和双有源全桥变换器整合为模块Ⅱ，所述模块Ⅰ与模块Ⅱ整合为储能模块，所述储能模块依据直流系统的要求进行合适的配比，然后将储能模块在直流母线上根据配比进行并联配置。3.根据权利要求1所述的一种基于双有源全桥变换器的混合储能系统的控制方法，其特征在于：双有源全桥变换器的控制方法为：移相闭环控制，即设定混合储能系统给定参考电压Uref与直流母线电压Udc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D1的值，然后移相占空比D1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双有源全桥变换器的开关管进行移相PWM调制；Buck/Boost双向变换器的控制方法为：电压电流双闭环控制，即设定超级电容给定参考电压Usc_ref与超级电容电压Usc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过电流限幅器后得出锂电池参考输出电流Ibat_ref，再与锂电池输出电流Ibat相比较后送入电流PI调节器，电流PI调节器输出值作为Buck/Boost双向变换器的占空比值D2，然后占空比值D2经过PWM发生器输出PWM波形对Buck/Boost双向变换器的开关管进行PWM调制；超级电容的控制方法为：设定超级电容与双有源全桥变换器的工作状态判定区间，具体设计为：设定直流母线电压UDC为其额定电压，对其进行分区，ULD3<ULD2<ULD1<UDC<UHD1<UHD2<UHD3为双有源全桥变换器工作的电压阈值；[ULD3，ULD2)为LD区间，[ULD2，ULD1]为D区间，(ULD1，UHD1)为S区间，[UHD1，UHD2]为C区间，(UHD2，UHD3]为LC区间；UHD3和ULD3分别为直流系统能保持正常运行时对应的母线电压极值；UHD2和ULD2分别为混合储能系统的充电电流和放电电流达到极限时所对应的母线电压；UHD1和ULD1分别为混合储能系统起始充电和放电的电压临界值，U...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾燕冰，田晋杰，韩肖清，任春光，蔺晓强，张佰富，米芝昌，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14