双级隔离式直流三端口变换器及其混合储能控制方法与流程

本发明涉及变换器技术领域，是一种双级隔离式直流三端口变换器及其混合储能控制方法。

背景技术：

直流电力系统中负载突变、投切和间歇能源造成的功率波动会产生直流供电电压闪变和跌落，进而对系统稳定性构成威胁。针对上述问题，可在直流电力系统中配置一定数量的储能装置为系统提供能量缓冲。蓄电池和超级电容分别具有容量密度大和功率密度大的特点，结合两者特点构成的混合储能系统可实现优势互补，因此在直流分布式发电系统中应用混合储能系统得到了广泛的研究。

在直流混合储能接口变换器方面，有学者提出使用多端口变换器作为混合储能系统接口变换器。相比于传统独立式接口变换器，多端口变换器在减少功率器件、降低能量转换环节等方面具有较大优势。多端口变换器可分为非隔离型、部分隔离型和全隔离型三大类，与传统的buck/boost变换器相比，带有高频链的多端口直流变换器变压比高，在直流母线电压较高时，储能器件无需过多串联，在降低串联储能器件不平衡影响的同时，也有利于提高系统的冗余程度和实现混合储能单元模块化，从而提高系统的可靠性、降低系统维护难度。

在直流系统中应用混合储能时，为了体现混合储能中储能元件各自的优势，应依据两者特点制定合理的功率平抑目标，由高能量密度储能器件承担系统内的长时能量缓冲，高功率密度储能器件则承担系统内可再生能源或负载带来的暂态波动和冲击。同时，应对两者的剩余电量进行在线合理估计，防止混合储能器件的功率或容量越限。现有的混合储能功率分配方案主要有滤波法、目标规划法、优化控制法和智能控制法等，但这些方法多是应用在独立式变换器中。

针对现有直流混合储能系统的接口变换器和控制方法存在的局限性，本发明以一种双级隔离式直流三端口变换器为对象，提出针对该三端口变换器的混合储能控制方法。本发明所采用的混合储能三端口变换器的优点在于首先在开关管复用下的情况下实现了混合储能侧与直流母线电压侧的电气隔离，且系统功率密度和升压比高。其次，该变换器中的交错并联结构可进一步减少蓄电池侧的电流纹波。本发明针对上述混合储能变换器所提出的混合储能控制方法采用双级式结构，在移相加占空比调试方式的基础上，可实现前级混合储能控制与后级恒压下垂控制的独立设计和解耦控制。

技术实现要素：

本发明针对现有技术不足，提供了一种双级隔离式直流三端口变换器及其混合储能控制方法，为了解决现有直流混合储能系统的接口变换器和控制方法存在的局限性的问题，提供了以下技术方案：

一种双级隔离式直流三端口变换器，其特征是：包括：buck-boost电路1、交错并联电路2、超级电容6、蓄电池7、双向有源桥式电路3和负载电阻4；

所述双级隔离式直流三端口变换器设有一条低压直流母线和一条高压母线，所述的低压直流母线在双级隔离式直流三端口变换器的低压混合储能侧，所述的蓄电池7和超级电容6通过buck-boost电路1并联在低压直流母线上；

所述的高压直流母线在双级隔离式直流三端口变换器的高压负载侧，所述高压母线和低压母线间的功率传输采用双向有源桥式电路3，所述负载电阻4并联在高压直流母线侧。

一种双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：前级低压侧采用混合储能功率分配控制方法利用电压-电流闭环pi控制器5控制蓄电池7和超级电容6；

采用分配产生的蓄电池7侧开关管占空比控制量d1和超级电容6侧开关管占空比控制量d2进行蓄电池7和超级电容6两个储能元件功率分配；

步骤二：后级高压侧采用恒压下垂调节控制负载电阻4，利用电压-电流双闭环进行调节生成的移相角φ，通过移相角φ进行恒压下垂调节控制；

步骤三：在后级高压母线电压-电流闭环pi控制器5中加入直流下垂控制，实现蓄电池7侧、超级电容6侧和负载侧混合储能并联运行，功率均衡分配。

优选地，所述蓄电池7侧开关管占空比d1由蓄电池侧电压-电流闭环pi控制器5经限幅器后的输出量决定，超级电容6侧开关管占空比d2由超级电容侧电压-电流闭环pi控制器5经限幅器后的输出量决定。

优选地，所述电压-电流闭环pi控制器5通过采集低压侧直流母线电压给定初始值v^*ref以及蓄电池7和超级电容6侧的电流采样值，通过下式求取形成新的蓄电池7和超级电容6端输出电压参考值vba_ref和vsc_ref：

在频域下上述两式可表示为：

其中cv为超级电容功率调节系数，lv为蓄电池功率调节系数，iba为蓄电池7侧电流采样值，isc为超级电容6侧电流采样值。

优选地，利用公式(1)和(2)中虚拟阻抗形成蓄电池7端响应系统长时间尺度功率波动和超级电容6端响应系统暂态功率波动，形成所述的混合储能分配方法。

优选地后级恒压下垂控制由恒压控制和直流下垂控制组成，所述恒压控制采集高压侧直流母线电压vo，直流下垂控制采集输出电流io。

优选地，高压母线和低压母线间功率传输方向和大小通过移相角φ控制。

本发明还有以下有益效果：

现有控制方法多应用于独立变换器，本发明在稳态状态下，超级电容端输出电流可迅速补偿负载的暂态电流，蓄电池端输出电流则缓慢变化直到与负载功率匹配，可有效实现双级隔离式直流三端口变换器双级混合储能控制。

本发明可在系统中负荷存在功率突变和波动情况下使低压侧超级电容响应暂态功率，蓄电池响应稳态功率，同时后级高压侧的恒压下垂控制可允许多个该类型三端口变换器构成的直流混合储能系统并联均衡运行。

附图说明

图1是双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法图。

图2是双级隔离式直流三端口变换器结构示意图。

图3是前级混合储能功率分配方法控制框图。

图4是双级隔离式直流三端口变换器各端口输出电流的变化图。

图5是后级恒压下垂控制下两个混合储能三端口并联运行的仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

本发明，一种双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法图如附图1所示，由前级混合储能控制、后级恒压下垂控制和针对双级隔离式直流三端口变换器的移相加占空比控制组成。

具体实施例1：

双级隔离式直流三端口变换器结构示意图如图2所示，双级隔离式直流三端口变换器混合储能系统包括：buck-boost电路1、交错并联电路2、超级电容6、蓄电池7、双向有源桥式电路3和负载电阻4。

双级隔离式直流三端口变换器构建了一条低压直流母线和一条高压母线，所述的低压直流母线在双级隔离式直流三端口变换器的低压混合储能侧，所述的蓄电池7和超级电容6通过buck-boost电路1并联在低压直流母线上；

高压直流母线在双级隔离式直流三端口变换器的高压负载侧，所述高压母线间的功率传输采用双向有源桥式电路3，所述负载电阻4并联在高压直流母线侧。

具体实施例2：

一种双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法图如附图1所示，由前级混合储能控制、后级恒压下垂控制和针对双级隔离式直流三端口变换器的移相加占空比控制组成。

v^*o为高压侧直流母线电压给定初始值，vo为高压侧直流母线电压采样值，vo_ref为经过下垂控制调节后的高压侧直流母线电压给定值。

高压侧直流母线电压给定初始值前级混合储能功率分配方法如图3所示，通过采集蓄电池7、超级电容6端电流iba、isc和低压直流母线电压vcl经过如图3所示的分配方法和电压-电流闭环pi控制器5控制后得出控制低压侧开关管的占空比控制量d1和d2。电压-电流闭环pi控制器5由低压侧直流母线电压采样值vcl和经过功率分配控制后的电压调节环给定值决定。所述经过功率分配控制后的电压调节环给定值通过下式求取：

在频域下上述两式可表示为：

其中vba_ref和vsc_ref为经过功率分配控制方法后的蓄电池7侧和超级电容6侧的电压调节环给定值，cv为超级电容功率调节系数，lv为蓄电池功率调节系数,v^*ref为低压侧直流母线给定初始值，iba为蓄电池7侧电流采样值，isc为超级电容6侧电流采样值。

混合储能功率分配控制方法通过公式(1)和(2)中虚拟阻抗形成蓄电池7端响应系统长时间尺度功率波动和超级电容6端响应系统暂态功率波动的的混合储能分配方法

后级恒压下垂控制由恒压控制和直流下垂控制组成，恒压下垂控制算法采集所述高压侧直流母线电压和输出电流，经过恒压下垂控制算法后输出控制三端口变换器中双向有源桥式电路3的移相角φ，再通过移相角φ进行稳压控制。

双级隔离式直流三端口变换器各端口输出电流的变化图如图4所示，稳态状态下，超级电容6端输出电流为0，在1.2s和2.2s时，负载功率发生突变，可以看到超级电容6端输出电流可迅速补偿负载的暂态电流，蓄电池7端输出电流则缓慢变化直到与负载功率匹配。该结果验证了本发明所提的混合储能控制方法的有效性。

后级恒压下垂控制下两个混合储能三端口并联运行的仿真结果示意图如图5所示，从图5中可以看出稳态时，蓄电池一和蓄电池二的电流均衡，暂态时超级电容一和超级电容二的瞬态补偿电流均衡，系统功率可以实现有效均分，验证了三端口混合储能系统并联情况下的所发明控制方法的有效性。

以上所述仅是双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法的优选实施方式，双级隔离式直流三端口变换器的混合储能控制方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。