一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法技术

本发明专利技术提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，本发明专利技术所述控制方法主要包括外环的SoC均衡控制及内环的电压电流控制，其中外环实现蓄电池SoC的均衡，内环控制则由电压、电流闭环调节构成，并在引入虚拟阻抗控制的基础上实现了混合储能系统的功率分配以及变换器输出电压的稳定。本发明专利技术所提出的控制方法简单有效，易于实现模块化设计，并且在实现混合储能元件SoC均衡的同时实现了系统输出电压的稳定。

A State-of-Charge Equilibrium Control Method for Series Hybrid Energy Storage Three-Port Converter

【技术实现步骤摘要】
一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法
本专利技术属于变换器控制
，特别是涉及一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法。
技术介绍
在直流电力系统中，超级电容和蓄电池相互结合而形成的混合储能系统能有效缓解电力系统中的功率波动，并能提升储能系统的输出性能以及使用寿命。为了满足更高电压等级的直流电力系统的需求，需要将混合储能三端口变换器输出侧进行串联连接，但会引入串联混合储能三端口变换器中储能元件荷电状态(SoC)不均衡以及各变换器之间输出电压不一致等问题，并会对整个系统的稳定运行造成影响。针对输出串联结构下的直流储能系统，有学者提出一种主从控制策略来实现超级电容的SoC均衡。其中主控制环路用于实现母线电压稳定，其输出的电流控制量与SoC调节控制器的输出相结合作为电流内环的给定参考值，最后通过占空比调节实现控制目标。在该控制策略下，具有更高SoC的超级电容会在控制环路中产生更大的电流参考值，并通过调节占空比增大电流，直到各模块间超级电容的SoC实现均衡。但该控制方法实现较为复杂，且仅实现了传统两端口变换器中超级电容的SoC均衡，并不适用于同时包含蓄电池和超级电容的串联混合储能系统。
技术实现思路
本专利技术目的是为了实现串联混合储能三端口变换器中蓄电池SoC均衡以及超级电容SoC自恢复，同时保证均衡过程中变换器总输出电压始终保持稳定，本专利技术提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法。本专利技术所述控制方法主要包括外环的SoC均衡控制及内环的电压电流控制，其中外环实现蓄电池SoC的均衡，内环控制则由电压、电流闭环调节构成，并在引入虚拟阻抗控制的基础上实现了混合储能系统的功率分配以及变换器输出电压的稳定。本专利技术所提出的控制方法简单有效，易于实现模块化设计，并且在实现混合储能元件SoC均衡的同时实现了系统输出电压的稳定。本专利技术是通过以下技术方案实现的，本专利技术提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值vref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。进一步地，在SoC外环均衡控制中，单台变换器中蓄电池控制部分产生的高压侧参考值v*hbai表示如下：其中vref为变换器初始电压参考值，vhbai为第i个蓄电池环路中SoC均衡校正后的高压侧电压参考值，ibai为第i个变换器的蓄电池端输出电流，Lv为虚拟电感参数，k表示SoC均衡控制环路的均衡系数，SoCi是第i个变换器的蓄电池荷电状态，SoC参考值即SoCref则为串联三端口变换器中所有蓄电池SoC的平均值，其表示如下：其中n表示蓄电池个数。进一步地，根据式(2)中所选取的SoC参考值，得到式(3)所示的等式关系：由式(3)可见在整个均衡调节过程中蓄电池环路电压参考值之和始终是恒定的，从而保证了串联混合储能三端口变换器的输出电压值保持恒定。进一步地，根据占空比稳压控制环路得到单台变换器中超级电容控制部分产生的高压侧参考值v*hsci的表达式：其中isci是第i个变换器的超级电容端输出电流，Cv为虚拟电容参数；由于超级电容控制部分产生的高压侧参考值在电压调节稳定且负载稳定后满足v*hsci＝vref，进一步得到：。进一步地，根据超级电容SoC的定义得到从输出电压开始调节直至稳定这段时间内超级电容SoC的变化量：其中Qc为超级电容的容量，分析式(6)可以看出超级电容SoC在虚拟电容控制下可以实现自恢复而不需要加入额外的控制。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述控制方法在虚拟阻抗功率控制的基础上，通过引入外环SoC均衡控制实现各变换器蓄电池间的SoC均衡和超级电容的SoC自恢复，同时保证了串联系统输出电压的稳定。该控制方法可有效解决由于串联变换器中蓄电池SoC不均衡所导致的串联混合储能三端口变换器稳定运行变差问题，同时保证了当直流电力系统负载侧发生变化时蓄电池和超级电容能分别响应其低频和高频功率变化，并在负载稳定后实现超级电容的SoC自恢复。附图说明图1为本专利技术所采用的串联混合储能三端口变换器拓扑结构图；图2为本专利技术所述的串联混合储能三端口变换器荷电状态均衡控制方法框图；图3为本专利技术所述均衡控制下串联混合储能三端口变换器工作波形图；图4为多次切载情况下串联混合储能三端口变换器工作波形图；图5为切重载时串联混合储能系统工作波形图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提出一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，在实现单台混合储能三端口变换器中蓄电池和超级电容之间合理的功率分配的基础上，利用外环SoC控制保证了在不影响单台变换器功率分配控制的前提下实现串联混合储能三端口变换器中蓄电池SoC均衡、超级电容SoC自恢复以及输出电压稳定等功能，并且无需额外的串联系统稳压控制。图1为以两个三端口混合储能变换器串联为例的串联变换器拓扑结构图，其中每个变换器的端口1接蓄电池，端口2接超级电容，端口3则串联后接直流负载。三端口混合储能变换器中各端口间的功率传输通过移相-占空比控制实现，以变换器#1为例，高压侧超级电容与输出侧的功率传输通过控制开关管S1-5与S1-6间和S1-7与S1-8间的占空比D来实现，低压侧蓄电池与输出侧的功率传输则通过控制原边开关管S1-1和副边开关管S1-5之间的移相角φ实现。在变换器#1中，vba1和vsc1分别为蓄电池和超级电容电压，vo1和vo则分别为单台变换器输出电压和串联总输出电压。另外C1-1、C1-2及Co1分别表示蓄电池、超级电容及输出端口的稳压电容，Lk1为功率传输电感并且其对应电流为iLk1，L1-1和L1-2则表示交错并联电感，其电流分别为iL1-1和iL1-2。iba1、isc1和io分别代表蓄电池输出电流、超级电容输出电流以及负载电流，n＝N1-1/N1-2代表变压器匝比，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，其特征在于：所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值vref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。...

【技术特征摘要】
1.一种串联混合储能三端口变换器的荷电状态均衡控制方法，其特征在于：所述方法包括SoC外环均衡控制、移相稳压控制、占空比稳压控制以及虚拟阻抗控制；其中SoC外环均衡控制包括SoC测量环节以及SoC调节器，SoC测量环节根据储能元件的电压电流检测值得到储能元件的SoC值，并将其与参考值比较后送入SoC调节器中，SoC调节器输出相应的控制量与变换器初始电压参考值vref相乘后参与蓄电池部分的电压参考值调节，进而实现蓄电池SoC的均衡控制；移相稳压控制则由电压调节器、电流调节器和移相调制组成，电压调节器用于实现变换器输出电压的稳定控制，电流调节器作为内环实现变换器输出电流闭环调节，移相调制用于实现变换器端口1和端口3的功率调节；占空比稳压控制包括电压调节器、电流调节器及占空比调制，电压调节器用于实现每台变换器输出端的电压闭环调节，电流调节器用于实现每台变换器输出端的电流闭环调节，电压调节器与电流调节器组成基本的电压电流双闭环调节，占空比调制通过调节副边开关管占空比实现端口2和端口3之间的功率传输；虚拟阻抗控制则由虚拟电感控制和虚拟电容控制组成，其能够使单台变换器中蓄电池和超级电容进行合理的功率分配，通过虚拟电感控制实现蓄电池响应负载的低频功率变化，通过虚拟电容控制则实现超级电容补偿负载的高频功率变化。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在SoC外环均衡控制中，单台变换器中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王盼宝，王凯峰，任鹏，陈彦博，王卫，徐殿国，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23