[發(fā)明專利]一種集成四端口混合儲能裝置及其控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811017231.8
• 申請日: 2018-09-01
• 公開（公告）號: CN109245318B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 游江;范巍巖;鄧夢露;王西貝
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: H02J15/00
• 分類號: H02J15/00;H02J7/35;H02J7/34;H02M3/335
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1.一種集成四端口混合儲能裝置，其特征在于：新能源發(fā)電模塊、蓄電池、超級電容、負(fù)載分別作為端口集成在一個(gè)全橋變換器中，新能源發(fā)電模塊如光伏模塊通過LC濾波器直接與全橋變換器相連；蓄電池與超級電容分別通過電感與橋臂中點(diǎn)相連，組成了雙向Buck/Boost變換器；其主電路的全橋結(jié)構(gòu)包括第一開關(guān)管S1、第二開關(guān)管S2、第三開關(guān)管S3、第四開關(guān)管S4；第一開關(guān)管S1和第二開關(guān)管S2位于第一橋臂A上，第一開關(guān)管S1下端與第二開關(guān)管S2上端連接，橋臂中點(diǎn)連接電感L_B的一端，電感L_B的另一端連接儲能蓄電池的正極，儲能蓄電池的負(fù)極與第二開關(guān)管S₂的下端連接；第三開關(guān)管S₃和四開關(guān)管S₄位于第二橋臂B上，第三開關(guān)管S₃下端與第四開關(guān)管S₄上端連接，橋臂中點(diǎn)連接電感L_SC的一端，電感L_SC的另一端連接超級電容，超級電容另一端與第四開關(guān)管S₄的下端連接；位于第三橋臂上的第一二極管D₁，第三二極管D₃和位于第四橋臂上的第二二極管D₂，第四二極管D₄組成整流橋，整流橋一端與變壓器副邊連接，另一端通過電感L_f和電容C_f與負(fù)載R相連；變壓器的原邊同名端與隔直電容C_b的一端連接，隔直電容C_b的另一端與移相全橋變換器一個(gè)橋臂的中點(diǎn)連接，該橋臂中點(diǎn)同時(shí)與電感L_B的一端連接，L_B的另一端與儲能電池正極連接，儲能電池的負(fù)極與PV系統(tǒng)輸出端LC濾波器的負(fù)極連接在一起；變壓器的原邊異名端與移相全橋變換器另一個(gè)橋臂的中點(diǎn)連接，該橋臂中點(diǎn)同時(shí)與電感L_SC的一端連接，L_SC的另一端與超級電容的正極連接，超級電容的負(fù)極與PV系統(tǒng)輸出端LC濾波器的負(fù)極連接在一起；

所述集成四端口混合儲能裝置的控制方法，包括以下步驟：

(1)系統(tǒng)上電初始化，初始化系統(tǒng)控制相關(guān)的軟件和硬件，將程序中的各個(gè)電壓控制器以及電流控制器的輸出置零，輸出脈沖信號置于低電位；

(2)運(yùn)行程序，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定母線電壓u_dcref；

(3)將控制系統(tǒng)接收到電壓傳感器VS1采樣得到的實(shí)際母線電壓u_dc，與母線電壓參考值u_dcref比較得到偏差量u_dce，將偏差值u_dce送入電壓控制器G_cv1，G_cv1輸出總體的電流參考值i_Lref，經(jīng)過電流分配模塊，得到超級電容的電流參考值i_SCref和蓄電池的電流參考值i_Bref；

(4)根據(jù)電流分配模塊輸出的電流參考值i_Bref與電流傳感器CS2測量的蓄電池的輸出/輸入電流i_B進(jìn)行比較得到偏差值i_Be，偏差值i_Be進(jìn)入電流控制器G_iB，電流控制器輸出得到占空比調(diào)制信號d_B；根據(jù)電流分配模塊輸出的電流參考值i_SCref與電流傳感器CS3測量的超級電容的輸出/輸入電流i_SC進(jìn)行比較得到偏差值i_SCe，偏差值i_SCe進(jìn)入電流控制器G_iSC，電流控制器輸出得到占空比調(diào)制信號d_SC；

(5)控制系統(tǒng)在步驟(3)、(4)運(yùn)行的同時(shí)，新能源發(fā)電系統(tǒng)的MPPT模塊根據(jù)環(huán)境條件實(shí)時(shí)算出最大的輸出電流參考值i_outref，與電流傳感器CS1檢測到的新能源發(fā)電模塊輸出電流i_out比較得到偏差值，將電流偏差值送入電流控制器G_cc得到載波的移相角信號

(6)移相角信號使得兩列載波具有一定的相位差，調(diào)制信號d_SC、d_B分別與兩列載波相比較，最終得到四列具有不同占空比的脈沖序列；

(7)若沒有得到停止信號，重復(fù)運(yùn)行步驟(3)～(6)，直至得到停止信號；

新能源發(fā)電模塊輸出電流的控制

R_d＝4N²L_lkf_s

G_LPF(s)為采樣濾波環(huán)節(jié)，G_ii(s)為移相全橋變換器輸入電流i_in到新能源發(fā)電模塊輸出電流i_out的傳遞函數(shù)，為移相角信號到輸入電流i_in的傳遞函數(shù)；

所述電流分配模塊在數(shù)字處理器中使用離散函數(shù)實(shí)現(xiàn)，將低頻變化的電流分配給蓄電池處理，將快速變化的電流分配給超級電容處理；

所述集成四端口混合儲能裝置有三種工作模式：單輸入雙輸出模式、單輸入單輸出模式、雙輸入單輸出模式；

單輸入雙輸出模式：發(fā)電模塊輸出功率、負(fù)載功率、混合儲能元件輸出功率滿足如下關(guān)系：

P_s＝-P_B-P_SC+P_o

新能源發(fā)電模塊輸出的功率大于負(fù)載所需的功率，發(fā)電模塊輸入的剩余能量對儲能元件進(jìn)行充電，即新能源發(fā)電模塊同時(shí)向負(fù)載和儲能元件供電，此時(shí)的儲能元件也作為發(fā)電模塊的負(fù)載；此時(shí)儲能元件的電流有如下關(guān)系：

i_SC+i_B＜0

單輸入單輸出模式：發(fā)電模塊輸出功率、負(fù)載功率、混合儲能元件輸出功率滿足如下關(guān)系：

P_s＝P_o

P_B+P_SC＝0

新能源發(fā)電模塊輸出的功率與負(fù)載所需的功率相同，儲能元件不工作，此時(shí)儲能元件的電流滿足如下關(guān)系：

i_SC+i_B＝0

雙輸入單輸出模式：發(fā)電模塊輸出功率、負(fù)載功率、混合儲能元件輸出功率滿足如下關(guān)系：

P_s+P_B+P_SC＝P_o

新能源發(fā)電模塊按照MPPT的方式輸出功率，蓄電池處于放電狀態(tài)，超級電容吸收高頻的波動量；發(fā)電模塊和儲能元件都作為電流源向直流母線輸出能量，儲能元件的電流滿足如下關(guān)系：

i_SC+i_B＞0。