本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及了一種模塊化儲(chǔ)能變換器的組合控制方法。

背景技術(shù)：

雙向直流儲(chǔ)能變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)能元件與直流母線的接口，在整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。而在儲(chǔ)能變換器的配置上，模塊化的配置方案與傳統(tǒng)的單變換器方案相比，又有著配置靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、便于系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)、容易滿足不同功率和電壓等級(jí)的需求等優(yōu)點(diǎn)，正不斷受到人們的關(guān)注。采用模塊化的方案時(shí)，在實(shí)際使用中，可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，投入相應(yīng)數(shù)量的變換器模塊，不同模塊間通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合運(yùn)行，以滿足不同功率等級(jí)和電壓等級(jí)的需求。

然而，當(dāng)多變換器組合運(yùn)行時(shí)，由于不同模塊間分布參數(shù)差異，如果不采取相應(yīng)的均壓、均流控制，必然會(huì)導(dǎo)致模塊間電壓、電流的不均。從而使得組合系統(tǒng)中的某些模塊電壓或電流應(yīng)力過(guò)大，以致變換器的使用壽命縮短，甚至導(dǎo)致變換器的損壞。同時(shí)，對(duì)于雙向變換器而言，由于變換器的能量可以雙向流動(dòng)，某些情況下，還可能在不同模塊間形成較大的功率環(huán)流。因此，為了保證組合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要一套有效的多變換器組合控制策略。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)多變換器的串并聯(lián)控制策略已做了許多研究，其方法大致可分為有互連線法和無(wú)互連線法兩種。無(wú)互連線法最常見(jiàn)的如下垂法，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但均衡效果相對(duì)較差；有互連線法，是指各模塊間存在均壓、均流母線的方法，該方法均衡效果相對(duì)較好，但實(shí)現(xiàn)相對(duì)也較為復(fù)雜。然而，目前的研究大多都是針對(duì)單向變換器展開(kāi)的，關(guān)于雙向變換器組合控制策略的研究則較為少見(jiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述背景技術(shù)提出的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明旨在提供一種模塊化儲(chǔ)能變換器的組合控制方法，實(shí)現(xiàn)多雙向變換器的組合控制，保證組合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種模塊化儲(chǔ)能變換器的組合控制方法，所述模塊化儲(chǔ)能變換器包括低壓側(cè)緩沖電容、低壓側(cè)蓄電池、蓄電池側(cè)解耦電容、第一低壓側(cè)濾波電感、第二低壓側(cè)濾波電感、低壓側(cè)等效漏感、第一低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管、第一低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管、第二低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管、第二低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管、功率變壓器、高壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管、高壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管、第一高壓側(cè)半橋電容、第二高壓側(cè)半橋電容以及母線側(cè)解耦電容，第一低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第一低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的集電極，第二低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第二低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的集電極，第一低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的集電極連接第二低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的集電極和低壓側(cè)緩沖電容的第一端，第一低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第二低壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極和低壓側(cè)緩沖電容的第二端，低壓側(cè)蓄電池的正極連接蓄電池側(cè)解耦電容的第一端、第一低壓側(cè)濾波電感的第一端和第二低壓側(cè)濾波電感的第一端，低壓側(cè)蓄電池的負(fù)極連接蓄電池側(cè)解耦電容的第二端和低壓側(cè)緩沖電容的第二端，第一低壓側(cè)濾波電感的第二端經(jīng)低壓側(cè)等效漏感與功率變壓器原邊的同名端連接，第一低壓側(cè)濾波電感的第二端連接第一低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極，第二低壓側(cè)濾波電感的第二端連接第二低壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極和功率變壓器原邊的異名端，高壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接高壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的集電極和功率變壓器副邊的同名端，第一高壓側(cè)半橋電容的第一端連接高壓側(cè)上開(kāi)關(guān)管的集電極和母線側(cè)解耦電容的第一端，第一高壓側(cè)半橋電容的第二端連接功率變壓器副邊的異名端和第二高壓側(cè)半橋電容的第一端，第二高壓側(cè)半橋電容的第二端連接高壓側(cè)下開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極和母線側(cè)解耦電容的第二端，母線側(cè)解耦電容的兩端接入直流母線，其特征在于：模塊化儲(chǔ)能變換器的組合方式包括各模塊化儲(chǔ)能變換器的低壓側(cè)串聯(lián)、并聯(lián)或分立以及各模塊化儲(chǔ)能變換器的高壓側(cè)串聯(lián)或并聯(lián)，多個(gè)模塊化儲(chǔ)能變換器組合時(shí)，選擇其中一個(gè)變換器作為主模塊，其余變換器為從模塊；各模塊化儲(chǔ)能變換器的控制環(huán)路包括緩沖電容電壓匹配環(huán)、直流母線電壓外環(huán)、電池電流內(nèi)環(huán)以及均流/均壓環(huán)；所述緩沖電容電壓匹配環(huán)用于保證低壓側(cè)緩沖電容的電壓與直流母線電壓相匹配，緩沖電容電壓匹配環(huán)采集低壓側(cè)緩沖電容的電壓，該電壓值與匹配值比較后經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，該輸出值作為變換器低壓側(cè)各開(kāi)關(guān)管占空比的控制信號(hào)；所述直流母線電壓外環(huán)和電池電流內(nèi)環(huán)用于控制變換器功率傳遞的大小和方向，對(duì)于主模塊，其直流母線電壓外環(huán)采樣直流母線電壓，該電壓值與基準(zhǔn)電壓比較后經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，該輸出值組作為電池電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)，電池電流內(nèi)環(huán)采樣低壓側(cè)蓄電池的電流，該電流值與基準(zhǔn)信號(hào)比較后經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，產(chǎn)生變換器高、低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相控制信號(hào)，而對(duì)于從模塊，其直流母線電壓外環(huán)被屏蔽，其電池電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)來(lái)源于主模塊的直流母線電壓外環(huán)的輸出；所述均壓/均流環(huán)用于保證各模塊化儲(chǔ)能變換器間高壓側(cè)電壓和電流的均衡，均壓/均流環(huán)采樣變換器高壓側(cè)的電壓/電流信號(hào)，將該電壓/電流信號(hào)與主模塊高壓側(cè)的電壓/電流信號(hào)比較后經(jīng)調(diào)節(jié)器輸出，將輸出信號(hào)疊加在該變換器電池電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)信號(hào)的修正。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，低壓側(cè)緩沖電容的電壓與直流母線電壓匹配需滿足：

ucc＝udc/2n

上式中，ucc為低壓側(cè)緩沖電容上的電壓，udc為直流母線電壓，n為功率變換器的匝比。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，各模塊化儲(chǔ)能變換器間的均壓/均流控制通過(guò)數(shù)字通信實(shí)現(xiàn)，組合系統(tǒng)中的主模塊通過(guò)數(shù)字通信總線將自身高壓側(cè)電壓/電流和自身直流母線電壓外環(huán)的輸出通過(guò)通信總線發(fā)送至各從模塊，各從模塊將接收到的信號(hào)分別作為自身均壓/均流環(huán)和電池電流內(nèi)環(huán)的基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)組合系統(tǒng)中各模塊間的電壓、電流的均衡。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，組合系統(tǒng)中的主模塊通過(guò)自動(dòng)擇主策略隨機(jī)產(chǎn)生，待機(jī)狀態(tài)下，各模塊完全對(duì)等，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，自動(dòng)擇主策略在組合系統(tǒng)中產(chǎn)生一個(gè)主模塊，以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，且運(yùn)行過(guò)程中，若原主模塊因故障退出工作，自動(dòng)擇主策略會(huì)在剩下的從模塊中立即選出新的主模塊，代替原主模塊繼續(xù)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

基于上述技術(shù)方案的優(yōu)選方案，所述調(diào)節(jié)器為pi調(diào)節(jié)器。

采用上述技術(shù)方案帶來(lái)的有益效果：

在本發(fā)明設(shè)計(jì)的組合控制方法下，多變換器組合方式靈活，變換器低壓側(cè)可串聯(lián)、并聯(lián)或獨(dú)立運(yùn)行，高壓側(cè)可串聯(lián)或并聯(lián)運(yùn)行，且組合系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定。組合系統(tǒng)的各模塊之間基于數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。采用自動(dòng)擇主策略，解決了傳統(tǒng)主從控制下一旦主機(jī)失效將導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為模塊化儲(chǔ)能變換器的電路圖；

圖2為變換器低壓側(cè)的連接示意圖；

圖3為變換器高壓側(cè)的連接示意圖；

圖4為多變換器高壓側(cè)并聯(lián)控制框圖；

圖5為多變換器高壓側(cè)串聯(lián)控制框圖；

圖6為自動(dòng)擇主的流程圖；

圖7為多變換器高壓側(cè)并聯(lián)實(shí)驗(yàn)波形圖；

圖8為多變換器高壓側(cè)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)波形圖；

圖9為自動(dòng)擇主實(shí)驗(yàn)波形圖。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示模塊化儲(chǔ)能變換器的拓?fù)洌渲衭ba為低壓側(cè)電池接口，udc為高壓側(cè)母線接口。整個(gè)變換器由低壓側(cè)緩沖電容cc，低壓側(cè)濾波電感l(wèi)1、l2，低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管s1u、s1d、s2u、s2d，電池側(cè)解耦電容c1，電池uba，功率變壓器t(匝比1:n)，變壓器低壓側(cè)等效漏感l(wèi)r，高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管s3u、s3d，高壓側(cè)半橋電容c2、c3，母線側(cè)解耦電容c4以及直流母線udc構(gòu)成。

變換器正常工作時(shí)，采用pwm加移相控制策略。低壓側(cè)同一橋臂上下兩管(s1u和s1d、s2u和s2d)互補(bǔ)導(dǎo)通，不同橋臂間驅(qū)動(dòng)信號(hào)錯(cuò)相180°且對(duì)應(yīng)的上管/下管占空比相同。高壓側(cè)開(kāi)關(guān)管s3u、s4d占空比固定為0.5，同樣錯(cuò)相180°導(dǎo)通。變換器工作過(guò)程中，通過(guò)控制低壓側(cè)開(kāi)關(guān)管的占空比，調(diào)節(jié)緩沖電容cc上的電壓ucc，使其滿足ucc＝udc/2n。同時(shí)，通過(guò)控制變換器高低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的移相角，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)變換器功率流向的控制。

在本專(zhuān)利提出的組合控制策略下，變換器低壓側(cè)可并聯(lián)、串聯(lián)或獨(dú)立使用，具體連接方式如圖2所示，高壓側(cè)可串聯(lián)或并聯(lián)使用，具體連接方式如圖3所示。

當(dāng)變換器的高壓側(cè)并聯(lián)，低壓側(cè)按圖2的方式并聯(lián)、串聯(lián)或獨(dú)立使用時(shí)，變換器的組合控制框圖如圖4所示。圖中iba_1…iba_i…iba_n為各模塊低壓側(cè)電池電流，idc_1…idc_i…idc_n為各模塊高壓側(cè)電流，udc_1…udc_i…udc_n為各模塊高壓側(cè)電壓，udc_r為高壓側(cè)電壓基準(zhǔn)，idc_m為主模塊高壓側(cè)電流。

當(dāng)變換器處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，各模塊完全對(duì)等，不同模塊間僅通過(guò)數(shù)據(jù)總線相連接。每個(gè)模塊都有自己的直流母線電壓外環(huán)、蓄電池電流內(nèi)環(huán)以及高壓側(cè)均流環(huán)。

變換器運(yùn)行時(shí)，自動(dòng)擇主邏輯會(huì)在系統(tǒng)中自動(dòng)產(chǎn)生一臺(tái)唯一的主模塊。假設(shè)圖4中模塊i作為主模塊工作，其余模塊作為從模塊工作。此時(shí)，該模塊的均流環(huán)和其余各子模塊的電壓外環(huán)將會(huì)被自動(dòng)屏蔽，如圖4中灰色部分所示。模塊i工作過(guò)程中，其電壓外環(huán)的輸出會(huì)通過(guò)數(shù)據(jù)通信總線發(fā)送至各從模塊，作為各模塊共用的電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)，以控制變換器功率傳遞的大小和方向，并實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)直流母線電壓的控制。當(dāng)母線電壓過(guò)高時(shí)，各模塊共用的電池電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)會(huì)相應(yīng)減小，反之則會(huì)增大。同時(shí)，主模塊的高壓側(cè)電流idc_m也將會(huì)通過(guò)通信總線發(fā)送至各從模塊，各從模塊將該值作為均流環(huán)的調(diào)節(jié)基準(zhǔn)，與自身的高壓側(cè)電流比較，經(jīng)pi調(diào)節(jié)器輸出后疊加到自身的蓄電池電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)之上，作為對(duì)蓄電池電流的修正。當(dāng)從模塊高壓側(cè)電流大于主模塊高壓側(cè)電流時(shí)，均流環(huán)的輸出將使從模塊自身的電池電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)減小，從而減小高壓側(cè)電流，反之將會(huì)增大自身的電池電流內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)自身高壓側(cè)電流的調(diào)整，最終保證不同變換器間高壓側(cè)電流的均衡。

當(dāng)變換器的高壓側(cè)串聯(lián)，低壓側(cè)按圖2的方式并聯(lián)、串聯(lián)或獨(dú)立使用時(shí)，變換器的組合控制框圖如圖5所示，圖中udc_m為主模塊高壓側(cè)電流。該控制框圖與圖4類(lèi)似，僅僅將原先的均流環(huán)換成了均壓環(huán)，其控制基準(zhǔn)由主模塊高壓側(cè)電流idc_m變成了主模塊高壓側(cè)電壓udc_m，控制量由各從模塊高壓側(cè)電流idc_1…idc_i…idc_n變成了各從模塊高壓側(cè)電壓udc_1…udc_i…udc_n，其余部分完全相同。通過(guò)該控制策略，最終便可實(shí)現(xiàn)各模塊高壓側(cè)電壓的均衡。

圖6為多模塊組合運(yùn)行時(shí)自動(dòng)擇主流程圖。系統(tǒng)正常運(yùn)行過(guò)程中，主機(jī)將通過(guò)通信總線向系統(tǒng)中所有從機(jī)發(fā)送控制指令。從機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，會(huì)不斷檢測(cè)能否正常接收到主機(jī)的控制指令。一旦主機(jī)因故障退出工作，將會(huì)同時(shí)停止所有控制指令的發(fā)送，此時(shí)，系統(tǒng)中的從機(jī)將會(huì)檢測(cè)到自身控制指令接收超時(shí)，從而觸發(fā)自動(dòng)擇主。自動(dòng)擇主觸發(fā)后，剩余的從機(jī)中將會(huì)立即產(chǎn)生一臺(tái)新的主機(jī)，代替原主機(jī)繼續(xù)控制整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

圖7為兩變換器模塊高壓側(cè)并聯(lián)實(shí)驗(yàn)波形圖。其中idc_#1、idc_#2分別為模塊1和模塊2的高壓側(cè)電流，為正代表能量從電池側(cè)傳向母線側(cè)，反之則為能量從母線側(cè)傳向電池側(cè)，udc為母線電壓，(idc_#1-idc_#2)為兩模塊高壓側(cè)電流之差。從圖中可以看出，在變換器工作的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)過(guò)程中，(idc_#1-idc_#2)都始終保持為0，說(shuō)明不同模塊間已實(shí)現(xiàn)了高壓側(cè)電流的均衡。

圖8為兩變換器模塊高壓側(cè)串聯(lián)實(shí)驗(yàn)波形圖。其中udc_#1、udc_#2分別為模塊1和模塊2的高壓側(cè)電壓，iba_#1、iba_#2分別為模塊1和模塊2的電池測(cè)電流，為正代表電池放電，反之代表電池充電，(udc_#1-udc_#2)為兩模塊高壓側(cè)電壓之差。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無(wú)論動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)過(guò)程中(udc_#1-udc_#2)都始終為0，說(shuō)明不同模塊間高壓側(cè)已實(shí)現(xiàn)了電壓均衡。

圖9為兩變換器模塊高壓側(cè)并聯(lián)時(shí)自動(dòng)擇主實(shí)驗(yàn)波形圖。其中idc_#1、idc_#2分別為模塊1和模塊2的高壓側(cè)電流。從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，當(dāng)原主機(jī)因故障退出工作后，原從機(jī)立即升級(jí)為主機(jī)繼續(xù)工作，其高壓側(cè)電流隨之增大。說(shuō)明自動(dòng)擇主策略有效的解決了傳統(tǒng)主從控制下，主機(jī)一旦失效，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓的問(wèn)題。

實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。