一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及混和儲(chǔ)能系統(tǒng)直流變換方法領(lǐng)域，尤其涉及一種基于Buck/Boost電 路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向直流變換器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在分布式發(fā)電、電力儲(chǔ)能等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中， 尤其是微電網(wǎng)環(huán)境下，對(duì)于直流變換器的輸出功率需求是變化的，輸出功率的波動(dòng)會(huì)造成 直流電壓的波動(dòng)。直流電壓的波動(dòng)會(huì)使得逆變器輸出電壓波動(dòng)，從而給電網(wǎng)帶來安全隱患。
[0003] 超級(jí)電容和蓄電池的輸出特性存在差異。超級(jí)電容具有響應(yīng)速度快，大功率輸出 能力強(qiáng)，儲(chǔ)能容量小的特點(diǎn)；蓄電池具有響應(yīng)速度慢，大功率輸出能力弱，儲(chǔ)能容量大的特 點(diǎn)。對(duì)超級(jí)電容和蓄電池采用相同的控制方式，發(fā)揮不出兩種儲(chǔ)能應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)，甚至?xí)?duì)儲(chǔ) 能裝置造成損害。
[0004] 脈寬調(diào)制（PWM)控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電 路幾乎都采用了PWM技術(shù)，基本原理；控制方式就是對(duì)逆變電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制， 使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用該些脈沖來代替正弦波或所需要的波形。也就是 在輸出波形的半個(gè)周期中產(chǎn)生多個(gè)脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出 平滑且低次諧波少。按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，即可改變逆變電路輸出電壓 的大小，也可改變輸出頻率。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦 波的幅值時(shí)，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。
[0005] 根據(jù)上述原理，在給出了正弦波頻率，幅值和半個(gè)周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM波形各 脈沖的寬度和間隔就可W準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就 可W得到所需要的PWM波形。
[0006] 比例積分（PI)調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實(shí)際輸出值構(gòu)成控制偏 差，將偏差的比例（P)和積分（I)通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。簡(jiǎn)單說 來，PI控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 1.比例環(huán)節(jié)，即時(shí)成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生 控制作用，W減少偏差。通常隨著值的加大，閉環(huán)系統(tǒng)的超調(diào)量加大，系統(tǒng)響應(yīng)速度加快，但 是當(dāng)增加到一定程度，系統(tǒng)會(huì)變得不穩(wěn)定。
[0007] 2.積分環(huán)節(jié)，主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積 分常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之越強(qiáng)。通常在不變的情況下，越大，即積分作用越弱，閉環(huán) 系統(tǒng)的超調(diào)量越小，系統(tǒng)的響應(yīng)速度變慢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為了克服直流母線電壓的波動(dòng)，更好的利用超級(jí)電容和蓄電池兩種儲(chǔ)能裝置的特 性。本發(fā)明提出了一種雙向直流變換器及其控制方法，該種變換器不僅能夠穩(wěn)定直流母線 電壓的波動(dòng)，更能對(duì)不同儲(chǔ)能裝置采用不同控制策略，從而提高變換器的性能。本發(fā)明由獨(dú) 立PWM控制Buck/Boost電路實(shí)現(xiàn)的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向直流變換，克服直 流母線電壓的波動(dòng)，更好的利用兩種儲(chǔ)能裝置的特性，從而提高變換器的性能，尤其是微電 網(wǎng)環(huán)境下，滿足了直流變換器輸出功率變化的需求。
[0009]為實(shí)現(xiàn)W上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案： 一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向直流變換器，該 結(jié)構(gòu)可W看作是兩個(gè)Buck/Boost電路的并聯(lián)，連接于穩(wěn)定電容C;所述的蓄電池通過一個(gè) 儲(chǔ)能電感、電力電子開關(guān)器件馬、電力電子開關(guān)器件馬（稱為變換器1路）構(gòu)成的電路輸 出能量，所述的超級(jí)電容通過一個(gè)儲(chǔ)能電感1;、電力電子開關(guān)器件S;、電力電子開關(guān)器件A (稱為變換器2路）構(gòu)成的電路輸出能量。
[0010] 所述的蓄電池所在的變換器1路采用電流環(huán)控制，W控制蓄電池的輸出功率和給 定功率相等。同時(shí)電流環(huán)控制可W限制蓄電池的輸出電流，從而延長(zhǎng)蓄電池的壽命。電流 采樣點(diǎn)為上的電流。采樣與上電流L之后，與給定電流做差，經(jīng)PI環(huán)調(diào)節(jié)，得出占空比 參考信號(hào)^2。
[0011] 所述的超級(jí)電容所在的變換器2路采用電壓環(huán)控制，W穩(wěn)定電容C上的電壓，同時(shí) 可W充分利用其響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。電壓閉環(huán)采樣點(diǎn)位電容C上的電壓。采樣C上電壓 之后，與給定電壓^：做差，經(jīng)口1環(huán)調(diào)節(jié)，得出占空比參考信號(hào)4。
[0012] 由于蓄電池和超級(jí)電容輸出功率是變化的，同時(shí)為了達(dá)到閉環(huán)控制的穩(wěn)定，儲(chǔ)能 電感值和盡量取小，所W在開關(guān)頻率不能無限高的情況下，必然出現(xiàn)電流斷續(xù)的狀態(tài)。 此時(shí)Buck/Boost電路若采用互補(bǔ)PWM控制方式，貝ij電壓不能穩(wěn)定，所W，Buck/Boost電路 采用獨(dú)立PWM控制方式。當(dāng)輸出能量時(shí)，常開，跟隨PWM信號(hào)開閉。當(dāng)吸收能量 時(shí)，馬、曰3常開，烏、巧跟隨PWM信號(hào)開閉。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：克服直流母線電壓的波動(dòng)，利用兩種儲(chǔ)能裝置的特性，保證 蓄電池的安全充放電。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明雙向直流變換器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是電壓控制環(huán)路圖； 圖3是電流控制環(huán)路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面請(qǐng)結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步描述。
[0016] 圖1為本發(fā)明中一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的 雙向直流變換器的結(jié)構(gòu)示意圖，該結(jié)構(gòu)可W看作是兩個(gè)Buck/Boost電路的并聯(lián)。如圖1所 示，蓄電池通過儲(chǔ)能電感、電力電子開關(guān)器件S、電力電子開關(guān)器件(稱為變換器1路） 構(gòu)成的電路輸出能量，超級(jí)電容通過儲(chǔ)能電感、電力電子開關(guān)器件A、電力電子開關(guān)器件 S(稱為變換器2路）構(gòu)成的電路輸出能量。
[0017] 蓄電池所在的變換器1路采用電流環(huán)控制，W控制蓄電池的輸出功率和給定功率 相等。同時(shí)電流環(huán)控制可W限制蓄電池的輸出電流，從而延長(zhǎng)蓄電池的壽命。電流采樣點(diǎn) 為馬上的電流。
[001引超級(jí)電容所在的變換器2路采用電壓環(huán)控制，W穩(wěn)定電容C上的電壓，同時(shí)可W充 分利用其響應(yīng)速度快的特點(diǎn)。電壓閉環(huán)采樣點(diǎn)位電容C上的電壓。
[0019] 電流環(huán)采用的控制環(huán)路如圖3所示，采樣ix上電流之后，與給定電流J做差，經(jīng) PI環(huán)調(diào)節(jié)，得出占空比參考信號(hào)d;。調(diào)節(jié)電力電子開關(guān)馬、開關(guān)占空比為d;，通過電力電 子開關(guān)輸出的蓄電池電流能夠滿足給定電流，限制蓄電池的輸出電流，從而延長(zhǎng)蓄電 池的壽命。
[0020] 電壓環(huán)采用的控制環(huán)路如圖2所示，采樣C上電壓之后，與給定電壓做差，經(jīng) PI環(huán)調(diào)節(jié)，得出占空比參考信號(hào)4。調(diào)節(jié)電力電子開關(guān)馬開關(guān)占空比為4,通過電力電 子開關(guān)輸出超級(jí)電容C上的電壓Fr能夠滿足給定電壓W穩(wěn)定超級(jí)電容C的電壓。
[0021] 由于蓄電池和超級(jí)電容輸出功率是變化的，同時(shí)為了達(dá)到閉環(huán)控制的穩(wěn)定，儲(chǔ)能 電感值^和盡量取小，所W在開關(guān)頻率不能無限高的情況下，必然出現(xiàn)電流斷續(xù)的狀態(tài)。 此時(shí)Buck/Boost電路若采用互補(bǔ)PWM控制方式，則電壓不能穩(wěn)定，所W，Buck/Boost電路 采用獨(dú)立PWM控制方式。當(dāng)輸出能量時(shí)，5；、馬常開，馬、鳥跟隨PWM信號(hào)開閉。當(dāng)吸收能量 時(shí)，馬、常開，烏、<5；跟隨PWM信號(hào)開閉。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向直流變換器， 其特征在于：所述的超級(jí)電容和蓄電池分別通過Buck/Boost電路連接到直流母線，與穩(wěn)定 電容C連接；所述超級(jí)電容和蓄電池的Buck/Boost電路都通過獨(dú)立PWM控制，實(shí)現(xiàn)充放電 控制，其中：所述的蓄電池通過一個(gè)儲(chǔ)能電感和兩個(gè)電力電子開關(guān)器件形成變換器一路，構(gòu) 成的電路輸出能量；所述的超級(jí)電容通過一個(gè)儲(chǔ)能電感和兩個(gè)電力電子開關(guān)器件形成變換 器二路，構(gòu)成的電路輸出能量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的超級(jí)電容采用電壓環(huán)控制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于：所述的蓄電池采用電流環(huán)控制。
4. 一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)雙向直流變換器的控 制方法，用于平抑直流變換器的電壓波動(dòng)，其特征在于： 所述的蓄電池所在的變換器一路采用電流環(huán)控制，以控制蓄電池的輸出 功率和給定功率相等；電流采樣點(diǎn)為儲(chǔ)能電感上的電流；采樣儲(chǔ)能電感上電流 4之后，與給定電流^做差，經(jīng)？1環(huán)調(diào)節(jié)，得出占空比參考信號(hào)尖； 所述的超級(jí)電容所在的變換器二路采用電壓環(huán)控制，以穩(wěn)定電容C上的電壓；電壓閉 環(huán)采樣點(diǎn)位電容C上的電壓；采樣C上電壓4之后，與給定電壓^做差，經(jīng)PI環(huán)調(diào)節(jié)，得出 占空比參考信號(hào)4; 所述的Buck/Boost電路采用獨(dú)立PWM控制方式。
【專利摘要】一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向直流變換器，蓄電池和超級(jí)電容分別通過一個(gè)Buck/Boost電路接入直流母線。電路采用獨(dú)立PWM控制方式。蓄電池環(huán)路采用電流環(huán)控制方式。超級(jí)電容環(huán)路采用電壓環(huán)控制方式。該變換器穩(wěn)定了直流母線電壓，利用了蓄電池和超級(jí)電容特性的優(yōu)勢(shì)，保證了蓄電池的健康使用。本發(fā)明還提供一種基于Buck/Boost電路的超級(jí)電容和蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向直流變換器的控制方法。
【IPC分類】H02J7-34, H02M3-155
【公開號(hào)】CN104716835
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510033190
【發(fā)明人】金立軍, 楊光耀, 張穎瑤, 程逸帆, 朱海鵬, 趙磊, 董振, 秦昆
【申請(qǐng)人】同濟(jì)大學(xué), 國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)寧供電公司
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日