微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，将传统轻载切相控制、多自由度调频控制和移相磁技术结合起来，所述储能系统采用6相交错并联双向变流器主电路，首先建立一个负载电流损耗模型，推导出最佳切相点对应的负载电流；其次采用多自由度频率控制寻求切相控制下的最优化工作频率；最后采用移相技术和磁集成设计抑制轻载、切相及低频下的纹波恶化，达到轻载情况下更高效率运行的控制目标；与现有技术中的微电网储能系统双向变流器相比，本发明专利技术能有效改善微电网储能系统中双向变流器轻载效率偏低，以及传统切相控制易引起纹波恶化的难题，极大的拓展了双向变流器高效率运行区间，提高了系统的稳定性和可靠性。

Efficiency optimization control method for bidirectional converter in micro grid energy storage system

The invention discloses a micro grid energy storage system in bidirectional converter efficiency optimization control method, the traditional light cutting phase control, combined with multi degree of freedom frequency control and phase magnetic technology, the energy storage system uses 6 interleaved parallel bidirectional converter main circuit, the first step is to establish a model of current load loss. To derive the optimal cut point corresponding to the load current; secondly optimized control frequency for phase cut under the control of multi degree of freedom using frequency; finally using phase-shifting technique and magnetic integrated design for suppressing light load, cutting phase and low frequency ripple evil, light load reached control goal of more efficient operation of the micro grid; the reservoir in the prior art can be compared with the bidirectional converter system, the invention can effectively improve the micro grid energy storage system in the bidirectional converter light load efficiency is low, and the traditional phase control is easy to cut The problem of ripple deterioration has greatly expanded the high efficiency operation range of the bi-directional converter, and improved the stability and reliability of the system.

【技术实现步骤摘要】
微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法
本专利技术涉及微电网
，特别是涉及一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法。
技术介绍
双向变流器作为连接微电网母线和各分布式能源模块的关键，是储能系统的核心装置。随着规模化储能系统对高效率、大容量双向变流器的需求，以及高压蓄电池技术的成熟，近年来，很多学者将交错并联非隔离型双向拓扑应用到新能源发电系统，并取得了很好的效果。但由于微电网系统能源输入多样化，其孤岛运行模式下负载复杂多变，若变流器多相并联工作于轻载情况下，较大的开关损耗和磁件损耗，会降低变换器转换效率，严重制约微电网系统高效率运行的目标。针对以上问题，当前主要采用以下几种方法来实现微电网储能系统双向变换器高效率运行的目标：1、轻载时减少交错型变流器实际工作相数来拓宽变流器高效率运行范围；2、提出了基于损耗模型的工作相数控制策略；3、提出了轻载下调频加切相的控制策略。但是这些方法均存在问题，例如第一种方法缺乏交错并联变流器切相的通用策略，且控制方法过于复杂，不利于全数字控制实现；第二种方法因未能进行切相后的进一步研究，如随着工作相数减小，变换器呈现轻载纹波恶化的问题，不仅使得交错并联的多重化技术优势不复存在，而且纹波增大还会冲击母线电容，降低变换器效率；第三种方法同样存在切相降频后变流器低频下纹波显著变大的问题，使得该策略亦无法大幅提高变换器轻载效率。因此，提供一种能够大幅提高变换器轻载效率的方法已成为本
人员急需解决的技术问题。本专利技术总结了现有切相控制方法的缺点和不足，提出了一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，本方法以六相交错型双向变流器Buck模式为研究对象，提出基于负载电流变化的损耗和效率评估模型，绘制出负载电流和工作相数相匹配的数值表，通过查表和数字运算，评估该负载电流的最小功率损耗，以实现轻载条件下准确自动地选择最佳切相点，达到拓宽变流器高效率运行区间的目的；针对切相后变流器纹波恶化的难题，引入移相磁集成技术，通过移相控制实现切相优化效率的同时，依然保持多相交错控制的多重化优点；通过多相磁技术技术优化相电流纹波脉动，降低体积和磁件损耗，进一步提高轻载效率空间。
技术实现思路
本专利技术为解决目前微电网储能系统中双向变流器轻载效率偏低，以及传统切相控制易引起纹波恶化的难题，提供了一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法。针对变流器轻载时，切相至仅有两通道运行的情况下，传统方法已无法更进一步优化效率的缺陷，引入多自由度调频控制可进一步优化变流器更轻负载时的转换效率；通过移相磁集成和调频调制相结合的方式，实现变换器低纹波的切相控制，达到变流器全功率范围内的效率最优化，极大的拓展了变流器高效运行区间，提高了储能系统乃至微电网系统的效率。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，包括一个或多个双向变流器及分布式电池储能模块，所述双向变流器采用6相交错并联双向变流器主电路拓扑结构，其效率优化控制方法包括以下步骤：(1)分析变流器全功率负载范围内的损耗分布，尤其轻载模式下的损耗特征，构建高效准确的损耗模型，考虑到多相并联交错的双向变流器各通道特性及工作完全相等，以一相且工作于Buck模式为例进行分析研究其损耗模型，并推演出变流器全功率损耗；所述变流器全功率损耗包括功率开关管的导通损耗Pon，续流二极管D2功率损耗PSW-D2(CCM)＝0.5VDNtoverIof、开关管S1的损耗以及寄生二极管的开关损耗(2)建立综合考虑电路损耗和磁路损耗的优化Steinmetz模型，并推导出其优化损耗表达式：所述优化损耗表达式中，KFe、α、β等系数均可通过磁芯规格的查询得到，BMAX为磁饱和强度峰值，f为励磁频率；(3)采用Matlab软件，依分类变量仿真所述变流器全功率损耗中各部分开关损耗公式，得到对应负载电流和开关频率的损耗三维模型，分析其损耗分布；(4)根据所述变流器全功率损耗分布特点建立对应工作相数下损耗和负载电流的关系曲线，结合损耗与频率的内在特性关联，采用切除轻载电流下非必要工作相数的切相控制方法和多自由度调频的频率控制方法，寻求对应相数及负载电流下最优化工作频率；采用基于Matlab的仿真模块，对变流器总输出电流纹波ΔIo和工作相数N的关系进行仿真可知，切相后纹波显著增大，变流器丧失了交错控制的多重化优势；(5)在轻载电流下切相的同时重复调整各相导通的相位角，使变流器在切相控制的同时继续保留交错并联的优势，改善电流纹波，进一步优化变流器高效运行区间；即变流器满载运行于六相导通，各主开关管依次交错60°相角通断，当负载电流降低至满载的5/6时，切掉一相，并实时调节导通相位，实现五相变流器依次交错72°相角导通，以保留五相交错并联运行，获得低纹波的优势，随变流器负载持续降低，依次执行上述切相和移相控制，最终实现最优工作相数和最高运行效率；(6)在施以切相控制及多自由度调频控制后，针对纹波恶化的问题，采用两两电感反向耦合的交错并联磁集成设计，以进一步改善轻载纹波电流增大，最大化实现变换器全功率范围高效率运行。针对采用移相控制的交错并联Buck变流器进行切相时的电流纹波进行仿真可知，与未采用移相控制的纹波电流相比，变流器轻载切相时，通过实时调制导通相位，可保留交错并联控制低纹波的优势。设计六相交错变流器实验样机，并搭建实验电路系统验证所述效率优化控制方法的正确性。进一步的，所述双向变流器主电路拓扑由6个单通道非隔离型Boost-Buck并联输入而成并采用交错控制技术构成多相交错控制型变流器。进一步的，所述切相控制方法是通过基于负载电流损耗的效率模型，计算出当前轻负载条件下可以获得最小损耗的工作相数，再通过数字化控制自动切除多余的导通相数来减少其工作损耗来提高变换器高效率运行区间。进一步的，所述多自由度调频的频率控制方法在变流器运行于两通道时才实施。进一步的，所述多相交错控制型变流器采用磁集成原则设计耦合电感，以进一步改善切相及降频控制后稳态电流纹波，并同时提高动态响应速度。进一步的，所述多相交错控制型变流器采用磁集成原则设计耦合电感。进一步的，所述耦合电感采用两两一组的方式进行构造。本专利技术公开了一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，将传统轻载切相控制和多自由度调频控制结合起来，并引入移相磁技术技术，极大拓展双向变流器高效率运行区间，提升了系统稳定性和可靠性。本专利技术具有以下有益效果：(1)通过建立更精确可靠的负载电流损耗模型，揭示负载电流与工作相数及频率间的内在机理，推导出最佳切相点对应的负载电流，易于实现数字化自动工作化相数管理。(2)建立了对应工作相数下损耗、电流和频率的三维模型，采用多自由度频率控制策略，寻求对应相数及负载电流下最优化工作频率，达到了轻载情况下更高效率运行的控制目标。(3)引入移相磁集成控制策略，保持了变流器在切相的同时依然具备多相交错并联的多重化低纹波输出优势，同时耦合电感设计提高了稳态性能和功率密度值，能够最高程度的提高全负载范围内的效率，同时延长了变流器的使用寿命。附图说明图1为微电网及储能系统结构图；图2为6相交错并联双向变流器主电路；图3为单相Buck变流器损耗分布及寄生参数结构图；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，其特征在于，所述微电网储能系统包括一个或多个双向变流器及分布式电池储能模块，所述双向变流器采用6相交错并联双向变流器主电路拓扑结构，其效率优化控制方法是由如下步骤实现的：(1)分析变流器全功率负载范围内的损耗分布，尤其轻载模式下的损耗特征，构建高效准确的损耗模型，考虑到多相并联交错的双向变流器各通道特性及工作完全相等，以一相且工作于Buck模式为例进行分析研究其损耗模型，并推演出变流器全功率损耗，所述变流器全功率损耗包括功率开关管的导通损耗、续流二极管功率损耗、开关管的损耗以及寄生二极管的开关损耗；(2)建立综合考虑电路损耗和磁路损耗的优化Steinmetz模型，并推导出其优化损耗表达式：

【技术特征摘要】
1.一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，其特征在于，所述微电网储能系统包括一个或多个双向变流器及分布式电池储能模块，所述双向变流器采用6相交错并联双向变流器主电路拓扑结构，其效率优化控制方法是由如下步骤实现的：(1)分析变流器全功率负载范围内的损耗分布，尤其轻载模式下的损耗特征，构建高效准确的损耗模型，考虑到多相并联交错的双向变流器各通道特性及工作完全相等，以一相且工作于Buck模式为例进行分析研究其损耗模型，并推演出变流器全功率损耗，所述变流器全功率损耗包括功率开关管的导通损耗、续流二极管功率损耗、开关管的损耗以及寄生二极管的开关损耗；(2)建立综合考虑电路损耗和磁路损耗的优化Steinmetz模型，并推导出其优化损耗表达式：(3)采用Matlab软件，依分类变量仿真所述变流器全功率损耗中各部分开关损耗公式，得到对应负载电流和开关频率的损耗三维模型，分析其损耗分布；(4)根据所述变流器全功率损耗分布特点建立对应工作相数下损耗和负载电流的关系曲线，结合损耗与频率的内在特性关联，采用切除轻载电流下非必要工作相数的切相控制方法和多自由度调频的频率控制方法，寻求对应相数及负载电流下最优化工作频率；(5)在轻载电流下切相的同时重复调整各相导通的相位角，使变流器在切相控制的同时继续保留交错并联的优势，改善电流纹波，进一步优化变流器高效运行区间；(6)在施以切相控制及多自由度调频控制后，针对纹波恶化的问题，采用两两电感反向耦合的交错并联磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭瑞，王磊，韩冬，
申请(专利权)人：辽宁工程技术大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21