一种非均流并联直流变换控制装置及方法与流程

本发明涉及一种电力电子技术领域，具体地说是一种多直流能量源情况下的非均流控制装置及方法。

背景技术：

储能系统是新能源利用的重要组成部分。如在风能和太阳能发电中，由于风能和太阳能都具有间歇性、波动性和不可控制性，为保证供电的连续性和平衡性，则必须引入储能系统，以达到平衡调节、削峰填谷以及减小电网冲击等目的，而在新能源汽车中，尤其是纯电动汽车，则必须依赖储能系统才能实现运行。

储能系统具有两个典型指标，一是能量密度，表征能量储存能力；二是功率密度，表征功率输出能力。在常规储能系统中，电池属于具有较大能量密度，但在功率密度方面相对较差的储能器件，如果要求其实现大波动范围的功率输出，将严重影响到电池的使用寿命和可靠性。而超级电容则属于具有较大功率密度，但储存能量较少，无法实现长时间能量输出的储能器件。如果将不同特征的能量源混合利用，即将多种能量源通过变换器进行并联输出，则可实现性能方面的互补，既可满足能量存储方面的需求，也可提高功率输出的动态响应能力，如将锂电池和超级电容都应用于纯电汽车中，一方面利用锂电池的储能能力，提高续航里程，一方面利用超级电容的瞬间功率输出、输入能力，满足电动汽车加减速性能，而且可避免锂电池的功率输出出现剧烈的波动，提高电池使用寿命和可靠性。

虽然这种多能量源并联系统具有上述优点，但是在实际应用中，目前技术是多能量源之间并联均流输出，无法对电流/功率进行分配，无法实现能量流动方向有效控制，若要发挥多能量源互补应用，则必须针对不同特性的能量源，进行对电流和功率输出的分配。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种不同能量源并联输出系统的电流和功率自适应分配的非均流并联直流变换控制装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

一种非均流并联直流变换控制装置，包括母线和至少两个直流能量源，还包括直流能量源相同数量的双向直流变换器和控制系统，该双向直流变换器与母线连接，一个直流能量源对应一个双向直流变换器和一个控制系统，各直流能量源与相应的双向直流变换器串联连接后与母线并联连接；

控制系统通过PWM调节模块与双向直流变换器连接，该控制系统包括通过线路依次串联连接的电压调节器、低通滤波器和电流调节器，电流调节器通过PWM模块与双向直流变换器连接。

所述直流能量源为直流储能单元，包括电池类能量源、超级电容或飞轮，电池类能量源包括锂电池组、蓄电池组、燃料电池或太阳能电池板。

一种非均流并联直流变换控制装置的控制方法，包含至少一个电池类能量源和一个超级电容，所述方法包括以下步骤：

步骤1，电压调节器的输出为电流调节器的电流给定，设置低通滤波器最低频率对应的最小滤波器系数α_l，低通滤波器最高频率对应的最大滤波器系数α_h；

步骤2，对电流调节器的电流情况进行监测，根据公式i_err＝i_ref-i_fed进行计算，其中，i_ref为电流调节器的电流给定，i_fed为电流调节器的电流反馈，i_err为电流调节器的电流给定和电流反馈之间的偏差；

步骤3，对i_err的值进行判断，若i_err超过预设阈值，则判定相应的能量源的储备不足，增加当前滤波器系数；若i_err低于预设阈值，则判定相应的能量源的储备充足，保持当前滤波器系数不变，从而对低通滤波器的系数进行自适应调整。

所述步骤3还包括：

当i_err低于预设阈值，能量源的储备充足时，保持电池类能量源的电流和功率输出的变化率不变，降低低通滤波器截止频率；当i_err起过预设阈值，能量源的储备不足时，则保持母线电压稳定，提高电池类能量源的输出，提高滤波器的截止频率。

所述方法还包括步骤：

步骤4，进一步判断动态性能，计算电流调节器的电流给定变化率和电压调节器输出变换之差i_deta，根据公式i_deta＝(i_ref(k)-i_ref(k-1))-(v_out(k)-v_out(k-1))进行计算，其中，i_ref(k)为当前k时刻电流给定，i_ref(k-1)为(k-1)时刻电流给定，v_out(k)为当前k时刻电压调节器输出，v_out(k-1)为当前(k-1)时刻电压调节器输出；

若当前时刻的i_deta小于上一时刻的i_deta，则提高低通滤波器截止频率；

其中低通滤波器采用以下公式计算电流调节器当前时刻的电流给定，i_ref(k)＝α₀v_out(k)+α₁i_ref(k-1)+...+α_ni_ref(k-n)α_n，α₀α₁…α_n为滤波器系数，i_ref(k-n)为(k-n)时刻电流给定。

本发明通过在电压调节器的输出端加入低通滤波器，实现电流给定的差异化，根据能量源不同，采用不同的滤波器权重系数，从而达到不同能量源之间的电流输出和功率输出。同时，该低通滤波器为自适应滤波器，可根据能量源实时能量状态和输出特征进行在线滤波器系数调整，从而达到不同能量源之间的性能互补，以提高能量利用效率，延长使用寿命，增强动态性能。

附图说明

附图1为本发明装置的连接示意图；

附图2为本发明方法的原理流程示意图；

附图3为要发明中低通滤波器不同系数采用不同PI系数的电流调节器调节的示意图；

附图4为未采用本发明方法试验结果示意图；

附图5为采用本发明方法后试验结果示意图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1所示，本发明揭示了一种非均流并联直流变换控制装置，包括母线和至少两个直流能量源，还包括直流能量源相同数量的双向直流变换器和控制系统，该双向直流变换器与母线连接，一个直流能量源对应一个双向直流变换器和一个控制系统，各直流能量源与相应的双向直流变换器串联连接后与母线并联连接；控制系统通过PWM调节模块与双向直流变换器连接，该控制系统包括通过线路依次串联连接的电压调节器、低通滤波器和电流调节器，电流调节器通过PWM模块与双向直流变换器连接。电压调节器构成电压环，电流调节器构成电流环，电压环输出为电流给定，经自适应的低通滤波器后输出给电流环，做为电流环的电流给定。

所述直流能量源为直流储能单元，包括电池类能量源、超级电容和飞轮，电池类能量源包括锂电池组、蓄电池组、燃料电池或太阳能电池板。直流能源量还可以包括其他形式或者种类的能量源。

此外，如附图2所示，本方法还揭示了一种非均流并联直流变换控制装置的控制方法，包含电池类能量源和超级电容，所述方法包括以下步骤：

步骤1，电压调节器的输出为电流调节器的电流给定，设置低通滤波器最低频率对应的最小滤波器系数α_l，低通滤波器最高频率对应的最大滤波器系数α_h，该最小滤波器系数和最大滤波器系数作为自适应低通滤波器权重系数调整的边界条件。

步骤2，对电流调节器的电流情况进行监测，根据公式i_err＝i_ref-i_fed进行计算，其中，i_ref为电流调节器的电流给定，i_fed为电流调节器的电流反馈，i_err为电流调节器的电流给定和电流反馈之间的偏差；

步骤3，对i_err的值进行判断，若i_err超过预设阈值，则判定相应的能量源的储备不足，增加当前滤波器系数；若i_err低于预设阈值，则判定相应的能量源的储备充足，保持当前滤波器系数不变，从而对低通滤波器的系数进行自适应调整。根据该i_err即可判定直流能量源的能量储备是否充足。

当i_err低于预设阈值，能量源的储备充足时，保持电池类能量源的电流和功率输出的变化率不变，提高其使用寿命和可靠性，降低低通滤波器截止频率；当i_err起过预设阈值，能量源的储备不足时，则以保持母线电压稳定为目的，提高电池类能量源输出的特性，提高滤波器的截止频率。

通过实线在线对低通滤波器系数的调整，得到不同带宽低通滤波器，实现电压调节器输出变换，即电流给定的在线再分配，实现不同能量源的非均流输出，以满足不同能量源的需求。如电池类能量源需要较大滤波，避免电流和功率输出的大范围变化，以提高电池使用寿命和可靠性，则提高低通滤波器截止频率；而超级电容则可以采用较小滤波或者不用滤波，可以降低低通滤波器截止频率，以满足电流和功率输出的动态需求。

所述方法还包括步骤：

步骤4，进一步判断动态性能，计算电流调节器的电流给定变化率和电压调节器输出变换之差i_deta，根据公式i_deta＝(i_ref(k)-i_ref(k-1))-(v_out(k)-v_out(k-1))进行计算，其中，i_ref(k)为当前k时刻电流给定，i_ref(k-1)为(k-1)时刻电流给定，v_out(k)为当前k时刻电压调节器输出，v_out(k-1)为当前(k-1)时刻电压调节器输出；

若当前时刻的i_deta小于上一时刻的i_deta，则提高低通滤波器截止频率；

其中低通滤波器采用以下公式计算电流调节器当前时刻的电流给定，i_ref(k)＝α₀v_out(k)+α₁i_ref(k-1)+...+α_ni_ref(k-n)α_n，α₀α₁…α_n为滤波器系数，i_ref(k-n)为(k-n)时刻电流给定。

另外，如附图3所示，低通滤波器的不同权重系数可分别采用不同PI系数的电流调节器进行调节，或者对称权重系数采用相同的电流调节器进行调节，如低通滤波器系数α₀和α_n为对称权重系数，可采用一个调节器，其输出为Δα₀，若α₀调整为α₀+Δα₀，则α_n调整为α_n-Δα₀。

采用本发明方法后的实验结果对比如图4和5所示，该试验中采用了锂电池和超级电容两种能量源.图4为采用电压环和电流环双闭环控制方法进行并联获得实验波形，其存在两方面的问题，一是电流几乎是均分，使得锂电池出现了较大的电流波动，二是电容电流消耗较大，使得其储存能量无法满足系统要求，在后半阶段无法发挥超级电容的作用。图5为采用本发明方法后的实验波形，锂电池电流波动明显减小，而且充当主要的能量源，超级电容主要是满足动态性能需求，这与锂电池和超级电容组合的目的是相吻合的。

为便于本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。