一种应用于储能变流器的基于前馈控制的浮充控制方法与流程

1.本发明涉及储能变流器控制技术领域，尤其涉及一种应用于储能变流器的基于前馈控制的浮充控制方法。


背景技术：

2.储能变流器在给电池充电时，首先工作在恒功率模式或者恒流模式，这种方式下，电池充电快，电池电压缓慢上升直到允许的最高充电电压，如果此时储能变流器不具备浮充功能，接下来就会停止充电。按照电池的充电特性曲线，停止充电后，电池端电压会慢慢回落，表明其容量未满。因此当储能变流器用恒功率模式或者恒流模式将电池充电达到最高充电电压时，电池仍然可能有不小的剩余容量，因此有必要实现浮充功能。
3.浮充功能即是以恒定电压充电，当储能变流器以恒功率模式或者恒流模式将电池电压充到最高充电电压时（或者浮充电压），储能变流器切换为浮充模式，此时就以维持恒定的电压值，即浮充电压来对电池充电。在浮充模式下，理想状态是充电模式平滑切换，充电电流逐渐减小直到接近于0（不会达到0，需要与储能变流器以及电池本身的损耗相平衡），此时电池才是真正被充满的状态。之后储能变流器停机，电池簇的端电压将维持在一个比较稳定的状态（随着电池簇本身内阻的损耗会非常缓慢的降低）。这是比较理想的整个充电的过程。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于储能变流器的基于前馈控制的浮充控制方法，解决储能变流器在给电池充电的末端，由恒功率充电或者恒流充电转为浮充（即恒压充电）时充电电流或者功率突变的问题。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种应用于储能变流器的基于前馈控制的浮充控制方法，包括外环控制器ⅰ、外环控制器ⅱ和内环控制器，外环控制器ⅰ、外环控制器ⅱ的输出端分别与内环控制器相连接，包括以下步骤：1）储能变流器初始时以恒功率或者恒电流模式为电池充电，采用外环控制器ⅰ生成内环控制器的输入参考电流信号，当电池电压逐渐上升，达到预设的浮充电压目标值时，浮充标志置位；2）浮充标志置位后，储能变流器切换为浮充模式，即恒电压充电，使用外环控制器ⅱ；3）在恒电压充电的外环控制环路中，引入一路前馈控制信号，该信号为浮充标志置位前一时刻外环控制器ⅰ的输出信号；4）外环控制器ⅰ的前馈控制信号与外环控制器ⅱ的输出相加作为内环控制器的输入参考电流信号。
5.进一步地，外环控制器ⅰ的参考信号为p
ref
或i
dcref
，分别表示功率参考指令和直流电流参考指令，反馈信号为p
fb
或i
dcfb
，表示储能变流器实际的功率和直流电流，参考信号和
反馈信号的差值作为外环控制器ⅰ的输入信号，外环控制器ⅰ的输出信号为i
ref1
，在浮充标志位没有置位的时候，i
ref1
被选择为内环控制器的参考电流i
ref
，进行内环的控制并生成最终的调制信号以及igbt的驱动信号。
6.进一步地，浮充标志置位，储能变流器切换为浮充模式，使用外环控制器ⅱ，外环控制器ⅱ的参考信号为u
dcref
，表示浮充电压目标值，反馈信号为u
dcfb
，表示储能变流器实际直流侧母线电压，参考信号和反馈信号的差值作为外环控制器ⅱ的输入信号，外环控制器ⅱ的输出信号不直接作为内环控制器的输入参考电流信号。
7.进一步地，在恒电压充电的外环控制环路中，引入一路前馈控制信号i
ref1(t0-1)
，该信号为浮充标志置位前一时刻外环控制器ⅰ的输出信号，同时也是浮充模式切换前一时刻的内环输入参考电流信号，前馈控制信号i
ref1(t0-1)
与外环控制器ⅱ的输出相加为信号i
ref2
，在浮充标志置位后（t0时刻），被选择为内环控制器的输入参考电流信号i
ref
。
8.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：将前馈控制用于浮充功能切换的实现中，可以避免切换瞬间电池充电电流或功率发生突变，从而实现浮充模式平滑切换。
附图说明
9.以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
10.附图1是本发明控制器组成以及前馈信号的示意图；附图2是采用浮充模式直接切换的传统方法时电池端电压与充电电流以及充电功率的仿真结果；附图3是采用本发明所述基于前馈控制的浮充控制方法，模式切换时电池端电压与充电电流以及充电功率的仿真结果。
具体实施方式
11.为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
12.如附图1所示，一种应用于储能变流器的基于前馈控制的浮充控制方法，包括外环控制器ⅰ、外环控制器ⅱ和内环控制器，外环控制器ⅰ、外环控制器ⅱ的输出端分别与内环控制器相连接，包括以下步骤：储能变流器初始时以恒功率或者恒电流模式为电池充电，采用外环控制器ⅰ生成内环控制器的输入参考电流信号，外环路ⅰ的参考信号为p
ref
或i
dcref
，分别表示功率参考指令和直流电流参考指令，反馈信号为p
fb
或i
dcfb
，表示储能变流器实际的功率和直流电流，参考信号和反馈信号的差值作为外环控制器ⅰ的输入信号，外环控制器ⅰ的输出信号为i
ref1
，在浮充标志位没有置位的时候，i
ref1
被选择为内环控制器的参考电流i
ref
，进行内环的控制并生成最终的调制信号以及igbt的驱动信号。
13.当电池电压逐渐上升，达到预设的浮充电压目标值时，浮充标志置位，储能变流器切换为浮充模式，即恒电压充电，使用外环控制器ⅱ，外环路ⅱ的参考信号为u
dcref
，表示浮充电压目标值，反馈信号为u
dcfb
，表示储能变流器实际直流侧母线电压，参考信号和反馈信号的差值作为外环控制器ⅱ的输入信号，外环控制器ⅱ的输出信号不直接作为内环控制器的输入参考电流信号。
14.在恒电压充电的外环控制环路中，引入一路前馈控制信号i
ref1(t0-1)
，该信号为浮充标志置位前一时刻外环控制器ⅰ的输出信号，同时也是浮充模式切换前一时刻的内环输入参考电流信号。前馈信号与外环控制器ⅱ的输出相加为信号i
ref2
，在浮充标志置位后（t0时刻），被选择为内环控制器的输入参考电流信号i
ref
。
15.根据经典控制理论可知，前馈控制为一种开环的控制方法，具有响应速度快，快速作用于被控对象的优点。因此将前馈控制用于浮充功能切换的实现中，可以避免切换瞬间电池充电电流或功率发生突变，从而实现浮充模式平滑切换。
16.在matlab/simulink中搭建储能系统的仿真模型，模拟储能变流器初始时以恒功率或者恒电流模式为电池充电，当电池电压逐渐上升，达到预设的浮充电压目标值时，储能变流器切换为浮充模式，即恒电压充电，采用本发明所提方法进行浮充模式切换，并与采用传统的浮充模式直接切换方法的结果进行对比，得到图2、图3所示结果。仿真参数如表1所示。
17.表1储能变流器额定电压690v额定频率50hz额定充放电功率1.25mw直流侧电压范围1100~1400v浮充电压目标值1400v附图2为采用浮充模式直接切换的传统方法时电池端电压与充电电流以及充电功率的仿真结果。在浮充切换的瞬间，由于电压外环控制器2的输出为0，因此内环的电流参考信号也为0，导致实际的充电电流瞬间减小，之后电流由于控制器的作用很快升高，之后再随着电池剩余容量的减小充电电流逐渐减小，直流电压维持在浮充电压1400v。
18.附图3为采用本发明所述基于前馈控制的浮充控制方法，模式切换时电池端电压与充电电流以及充电功率的仿真结果。在浮充切换的瞬间，由于电压外环控制器ⅱ的输出叠加了前馈量，而前馈量刚好为浮充模式切换前一时刻外环控制器ⅰ的输出，即浮充模式切换前一时刻的内环电流参考信号，因此内环的电流参考信号随着电压外环控制器ⅱ的输出逐渐减小，实际的充电电流也呈现逐渐减小的趋势，充电功率也有额定的1.25mw逐渐减小，实现了浮充模式平滑切换，直流电压在模式切换后始终维持在浮充电压1400v。
19.利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。