一种模块化储能变换器的组合控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及了一种模块化储能变换器的组合控制方法。

背景技术：

双向直流储能变换器作为储能系统中储能元件与直流母线的接口，在整个储能系统中发挥着重要的作用。而在储能变换器的配置上，模块化的配置方案与传统的单变换器方案相比，又有着配置灵活、扩展性强、便于系统的冗余设计、容易满足不同功率和电压等级的需求等优点，正不断受到人们的关注。采用模块化的方案时，在实际使用中，可以根据系统的实际需求，投入相应数量的变换器模块，不同模块间通过串联或并联的方式组合运行，以满足不同功率等级和电压等级的需求。

然而，当多变换器组合运行时，由于不同模块间分布参数差异，如果不采取相应的均压、均流控制，必然会导致模块间电压、电流的不均。从而使得组合系统中的某些模块电压或电流应力过大，以致变换器的使用寿命缩短，甚至导致变换器的损坏。同时，对于双向变换器而言，由于变换器的能量可以双向流动，某些情况下，还可能在不同模块间形成较大的功率环流。因此，为了保证组合系统的稳定运行，需要一套有效的多变换器组合控制策略。

现有文献对多变换器的串并联控制策略已做了许多研究，其方法大致可分为有互连线法和无互连线法两种。无互连线法最常见的如下垂法，该方法实现简单，但均衡效果相对较差；有互连线法，是指各模块间存在均压、均流母线的方法，该方法均衡效果相对较好，但实现相对也较为复杂。然而，目前的研究大多都是针对单向变换器展开的，关于双向变换器组合控制策略的研究则较为少见。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种模块化储能变换器的组合控制方法，实现多双向变换器的组合控制，保证组合系统的稳定运行。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种模块化储能变换器的组合控制方法，所述模块化储能变换器包括低压侧缓冲电容、低压侧蓄电池、蓄电池侧解耦电容、第一低压侧滤波电感、第二低压侧滤波电感、低压侧等效漏感、第一低压侧上开关管、第一低压侧下开关管、第二低压侧上开关管、第二低压侧下开关管、功率变压器、高压侧上开关管、高压侧下开关管、第一高压侧半桥电容、第二高压侧半桥电容以及母线侧解耦电容，第一低压侧上开关管的发射极连接第一低压侧下开关管的集电极，第二低压侧上开关管的发射极连接第二低压侧下开关管的集电极，第一低压侧上开关管的集电极连接第二低压侧上开关管的集电极和低压侧缓冲电容的第一端，第一低压侧下开关管的发射极连接第二低压侧下开关管的发射极和低压侧缓冲电容的第二端，低压侧蓄电池的正极连接蓄电池侧解耦电容的第一端、第一低压侧滤波电感的第一端和第二低压侧滤波电感的第一端，低压侧蓄电池的负极连接蓄电池侧解耦电容的第二端和低压侧缓冲电容的第二端，第一低压侧滤波电感的第二端经低压侧等效漏感与功率变压器原边的同名端连接，第一低压侧滤波电感的第二端连接第一低压侧上开关管的发射极，第二低压侧滤波电感的第二端连接第二低压侧上开关管的发射极和功率变压器原边的异名端，高压侧上开关管的发射极连接高压侧下开关管的集电极和功率变压器副边的同名端，第一高压侧半桥电容的第一端连接高压侧上开关管的集电极和母线侧解耦电容的第一端，第一高压侧半桥电容的第二端连接功率变压器副边的异名端和第二高压侧半桥电容的第一端，第二高压侧半桥电容的第二端连接高压侧下开关管的发射极和母线侧解耦电容的第二端，母线侧解耦电容的两端接入直流母线，其特征在于：模块化储能变换器的组合方式包括各模块化储能变换器的低压侧串联、并联或分立以及各模块化储能变换器的高压侧串联或并联，多个模块化储能变换器组合时，选择其中一个变换器作为主模块，其余变换器为从模块；各模块化储能变换器的控制环路包括缓冲电容电压匹配环、直流母线电压外环、电池电流内环以及均流/均压环；所述缓冲电容电压匹配环用于保证低压侧缓冲电容的电压与直流母线电压相匹配，缓冲电容电压匹配环采集低压侧缓冲电容的电压，该电压值与匹配值比较后经调节器输出，该输出值作为变换器低压侧各开关管占空比的控制信号；所述直流母线电压外环和电池电流内环用于控制变换器功率传递的大小和方向，对于主模块，其直流母线电压外环采样直流母线电压，该电压值与基准电压比较后经调节器输出，该输出值组作为电池电流内环的基准信号，电池电流内环采样低压侧蓄电池的电流，该电流值与基准信号比较后经调节器输出，产生变换器高、低压侧驱动信号的移相控制信号，而对于从模块，其直流母线电压外环被屏蔽，其电池电流内环的基准信号来源于主模块的直流母线电压外环的输出；所述均压/均流环用于保证各模块化储能变换器间高压侧电压和电流的均衡，均压/均流环采样变换器高压侧的电压/电流信号，将该电压/电流信号与主模块高压侧的电压/电流信号比较后经调节器输出，将输出信号叠加在该变换器电池电流内环的基准信号上，实现对电池电流内环的基准信号的修正。

基于上述技术方案的优选方案，低压侧缓冲电容的电压与直流母线电压匹配需满足：

ucc＝udc/2n

上式中，ucc为低压侧缓冲电容上的电压，udc为直流母线电压，n为功率变换器的匝比。

基于上述技术方案的优选方案，各模块化储能变换器间的均压/均流控制通过数字通信实现，组合系统中的主模块通过数字通信总线将自身高压侧电压/电流和自身直流母线电压外环的输出通过通信总线发送至各从模块，各从模块将接收到的信号分别作为自身均压/均流环和电池电流内环的基准，实现组合系统中各模块间的电压、电流的均衡。

基于上述技术方案的优选方案，组合系统中的主模块通过自动择主策略随机产生，待机状态下，各模块完全对等，系统开始运行后，自动择主策略在组合系统中产生一个主模块，以控制整个系统的运行，且运行过程中，若原主模块因故障退出工作，自动择主策略会在剩下的从模块中立即选出新的主模块，代替原主模块继续控制整个系统的运行。

基于上述技术方案的优选方案，所述调节器为pi调节器。

采用上述技术方案带来的有益效果：

在本发明设计的组合控制方法下，多变换器组合方式灵活，变换器低压侧可串联、并联或独立运行，高压侧可串联或并联运行，且组合系统的运行稳定。组合系统的各模块之间基于数字通信，实现简单，抗干扰能力强。采用自动择主策略，解决了传统主从控制下一旦主机失效将导致整个系统瘫痪的问题。

附图说明

图1为模块化储能变换器的电路图；

图2为变换器低压侧的连接示意图；

图3为变换器高压侧的连接示意图；

图4为多变换器高压侧并联控制框图；

图5为多变换器高压侧串联控制框图；

图6为自动择主的流程图；

图7为多变换器高压侧并联实验波形图；

图8为多变换器高压侧串联实验波形图；

图9为自动择主实验波形图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示模块化储能变换器的拓扑，其中uba为低压侧电池接口，udc为高压侧母线接口。整个变换器由低压侧缓冲电容cc，低压侧滤波电感l1、l2，低压侧开关管s1u、s1d、s2u、s2d，电池侧解耦电容c1，电池uba，功率变压器t(匝比1:n)，变压器低压侧等效漏感lr，高压侧开关管s3u、s3d，高压侧半桥电容c2、c3，母线侧解耦电容c4以及直流母线udc构成。

变换器正常工作时，采用pwm加移相控制策略。低压侧同一桥臂上下两管(s1u和s1d、s2u和s2d)互补导通，不同桥臂间驱动信号错相180°且对应的上管/下管占空比相同。高压侧开关管s3u、s4d占空比固定为0.5，同样错相180°导通。变换器工作过程中，通过控制低压侧开关管的占空比，调节缓冲电容cc上的电压ucc，使其满足ucc＝udc/2n。同时，通过控制变换器高低压侧驱动信号的移相角，即可实现对变换器功率流向的控制。

在本专利提出的组合控制策略下，变换器低压侧可并联、串联或独立使用，具体连接方式如图2所示，高压侧可串联或并联使用，具体连接方式如图3所示。

当变换器的高压侧并联，低压侧按图2的方式并联、串联或独立使用时，变换器的组合控制框图如图4所示。图中iba_1…iba_i…iba_n为各模块低压侧电池电流，idc_1…idc_i…idc_n为各模块高压侧电流，udc_1…udc_i…udc_n为各模块高压侧电压，udc_r为高压侧电压基准，idc_m为主模块高压侧电流。

当变换器处于待机状态时，各模块完全对等，不同模块间仅通过数据总线相连接。每个模块都有自己的直流母线电压外环、蓄电池电流内环以及高压侧均流环。

变换器运行时，自动择主逻辑会在系统中自动产生一台唯一的主模块。假设图4中模块i作为主模块工作，其余模块作为从模块工作。此时，该模块的均流环和其余各子模块的电压外环将会被自动屏蔽，如图4中灰色部分所示。模块i工作过程中，其电压外环的输出会通过数据通信总线发送至各从模块，作为各模块共用的电流内环基准，以控制变换器功率传递的大小和方向，并实现对系统直流母线电压的控制。当母线电压过高时，各模块共用的电池电流内环基准会相应减小，反之则会增大。同时，主模块的高压侧电流idc_m也将会通过通信总线发送至各从模块，各从模块将该值作为均流环的调节基准，与自身的高压侧电流比较，经pi调节器输出后叠加到自身的蓄电池电流内环基准之上，作为对蓄电池电流的修正。当从模块高压侧电流大于主模块高压侧电流时，均流环的输出将使从模块自身的电池电流内环基准减小，从而减小高压侧电流，反之将会增大自身的电池电流内环基准，以实现对自身高压侧电流的调整，最终保证不同变换器间高压侧电流的均衡。

当变换器的高压侧串联，低压侧按图2的方式并联、串联或独立使用时，变换器的组合控制框图如图5所示，图中udc_m为主模块高压侧电流。该控制框图与图4类似，仅仅将原先的均流环换成了均压环，其控制基准由主模块高压侧电流idc_m变成了主模块高压侧电压udc_m，控制量由各从模块高压侧电流idc_1…idc_i…idc_n变成了各从模块高压侧电压udc_1…udc_i…udc_n，其余部分完全相同。通过该控制策略，最终便可实现各模块高压侧电压的均衡。

图6为多模块组合运行时自动择主流程图。系统正常运行过程中，主机将通过通信总线向系统中所有从机发送控制指令。从机在正常运行时，会不断检测能否正常接收到主机的控制指令。一旦主机因故障退出工作，将会同时停止所有控制指令的发送，此时，系统中的从机将会检测到自身控制指令接收超时，从而触发自动择主。自动择主触发后，剩余的从机中将会立即产生一台新的主机，代替原主机继续控制整个系统的正常运行，从而保证整个系统的可靠性和稳定性。

图7为两变换器模块高压侧并联实验波形图。其中idc_#1、idc_#2分别为模块1和模块2的高压侧电流，为正代表能量从电池侧传向母线侧，反之则为能量从母线侧传向电池侧，udc为母线电压，(idc_#1-idc_#2)为两模块高压侧电流之差。从图中可以看出，在变换器工作的稳态和动态过程中，(idc_#1-idc_#2)都始终保持为0，说明不同模块间已实现了高压侧电流的均衡。

图8为两变换器模块高压侧串联实验波形图。其中udc_#1、udc_#2分别为模块1和模块2的高压侧电压，iba_#1、iba_#2分别为模块1和模块2的电池测电流，为正代表电池放电，反之代表电池充电，(udc_#1-udc_#2)为两模块高压侧电压之差。从实验结果可以看出，无论动态还是稳态过程中(udc_#1-udc_#2)都始终为0，说明不同模块间高压侧已实现了电压均衡。

图9为两变换器模块高压侧并联时自动择主实验波形图。其中idc_#1、idc_#2分别为模块1和模块2的高压侧电流。从实验波形可以看出，当原主机因故障退出工作后，原从机立即升级为主机继续工作，其高压侧电流随之增大。说明自动择主策略有效的解决了传统主从控制下，主机一旦失效，将会导致整个系统瘫痪的问题。

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。