CN108923518A - 一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，属于超级电容储能系统中超级电容模组能量均衡控制技术领域。包括以下步骤：建立系统公共电压外环；建立子模组独立电流内环；通过均衡母线选取系统中能量最高模组的SOC值作为参考；利用SOC参考及模组自身SOC值对子模组电流内环给定进行调整；通过利用系统电流值及调整后的电流参考作为电流调节器的输入，控制子模组的充放电运行状态，实现储能系统组间能量动态均衡控制。所述控制方法具备结构简单，适用于多子模组级联系统，提升系统的模块化性能及容错控制能力等诸多优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，属于超级电容储能系统中超级电容模组能量均衡控制技术领域。
背景技术
随着我国城市化进程不断加快，城市轨道交通得到了快速发展。超级电容储能系统作为城市轨道交通供电系中提升能量利用效率的辅助供电设备，得到了广泛的关注。储能系统中超级电容模组的耐压较低，需要通过多模组串联以适应高压场合的应用。然而由于模组间参数差异等原因会导致能量在模组间分布不均，长期运行时超级电容模组易出现过充、过放现象，严重威胁系统的安全运行。因此超级电容储能系统在实际使用时需要配备能量均衡管理系统。目前常用的能量均衡方法可以概括为被动式均衡和主动式均衡。其中被动均方法采用外接均衡电阻的形式，将高能量分布模组中的能量进行消耗；主动均衡方法的实现思路是将高能量分布模组中的能量通过外部电力电子变换装置转移低能量模组中。然而，这些均衡技术主要存在以下几个问题：
(1)均衡方法导致储能系统模块化程度降低，不利用系统扩展应用；
(2)导致储能系统整体控制复杂，系统的可靠性降低；
(3)储能系统成本过高。
发明内容
本发明针对如何在系统模块化硬件构成的基础上提升控制方法的模块化程度，并且如何降低均衡系统控制的复杂性，并提升储能系统的可靠性，提出了一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，所采取的技术方案如下：
一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，所述能量均衡控制方法包括：
步骤一：构建系统公共电压控制环；所述系统公共电压控制环包括电压参考给定、直流母线电压反馈值以及电压闭环调节器，并将电压环的输出值通过通信线传递到每个子模组电流控制器中；
步骤二：构建各子模组独立电流闭环；所述各子模组独立电流闭环包括电流参考、系统电流反馈值、以及电流环调节器；
步骤三：各子模组利用根据SOC值计算模型获取并联超级电容模组的SOC值，所述SOC值计算模型如下：
其中：Csc为超级电容模组的容量，单位为法拉；Qs为超级电容额定存储电荷量，单位为库伦；usci为第i个超级电容模组的电压值；
步骤四：构建基于硬件电路的均衡母线电路；所述均衡母线电路包括多个二极管及具有良好屏蔽功能的导线；其中，每个二极管均位于所述模块化超级电容储能系统的子模组控制器上，全部二极管的阴极通过均衡母线相接；
步骤五：将各子模组控制器计算产生的SOC信息通过DA转换器转换成为模拟电压信号，并连接于二极管的阳极；
步骤六：各子模组控制器采集均衡母线中的电压信号，并将采集结果通过均衡电流参考值模型生成均衡电流参考值，其中，所述均衡电流参考值模型为：
irefi＝iref[1-k(SOCmax-SOCi)]
其中，iref为公共电压环产生的原始电流参考值，irefi为第i个模组的均衡电流参考值，SOCmax为由均衡母线生成的最大SOC值，k为均衡系数；
步骤七：采集直流母线电流信号，并根据电流给定值模型计算最终的电流给定值，其中，所述电流给定值模型为：
其中，为最终的电流参考值，β0为电流校正系数，sgn(·)为符号函数；
步骤八：各子模组根据最终的电流给定值及采样的系统电流通过电流调节器计算生成各自的占空比，控制子模组的开关器件的导通及关断。
进一步地，步骤一所述系统公共电压控制环的输出值为原始电流参考给定值；所述输出值通过通信方式传递给各子模组；所述通信方式包括RS485、CAN或TCPIP。
进一步地，步骤二中所述各子模组的电流闭环具有相同的电流反馈值，且电流给定输入为调整后最终电流给定值。
进一步地，步骤二中所述子模组的个数大于2。
进一步地，步骤五中转变成为模拟电压信号的SOC值，在与二极管阳极相接前经过一级调理电路，所述调理电路的作用是消除二极管的压降对SOC选择的影响。
进一步地，步骤六所述均衡系数满足两个条件，所述两个条件如下：
iref(1-kΔSOC)＞0
其中，ΔIL为电流偏差值，ΔSOC为组间SOC差值。
进一步地，步骤七所述电流校正系数满足两个条件，所述两个条件如下：
iref(1-kΔSOC)＞0
其中，ΔIL为电流偏差值，ΔSOC为组间SOC差值。
本发明有益效果：
本发明所述为一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统组间能量均衡控制方法。该控制方法由统一的电压外环及各子模组独立的电流内环组成。为了实现组间能量均衡控制，在子模组间引了入均衡母线。均衡母线能够从全部模组中自动筛选超级电容模组的最大SOC值，并将其作为参考送入各子模组的电流调节器中，通过对系统电流内环给定的调整，使各子模组能够根据SOC参考及模组自身SOC值调整投入运行时间，在储能系统充放电的动态过程中实现组间能量均衡控制。
本发明所提出的能量均衡控制方法具有以下优点：
1、控制方法结构不随模组数量的变化而变化，适用于多模组级联储能系统；
2、将能量存储与能量均衡控制统一化处理，避免了外部均衡电路的使用，降低了储能系统成本；
3、任意模组故障时，可直接从系统中切除而不影响其余模组正常运行，提升了系统的容错控制能力；
4、最大SOC通过硬件电路自动筛选，不需要消耗控制器的控制资源，降低了对主控制器的性能要求；
5、全部模组SOC信息不需要集中处理，增强了系统均衡控制的实时性。
附图说明
图1模块化超级电容储能系统结构图。
图2基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制策略框图。
图3放电模式下均衡实验波形；
其中，a)为母线电压以及系统电流响应曲线；b)为超级电容模组SOC曲线；c)为组间SOC差异曲线。
图4充电模式下均衡实验波形；
其中，a)为母线电压以及系统电流响应曲线；b)为超级电容模组SOC曲线；c)组间SOC差异曲线。
图5无电流校正环节时母线电压及系统电流波形；
其中，b)为充电模式下波形；c)为放电模式下波形。
图6单模组不均衡时放电均衡实验结果；
其中，a)为放电模式下SOC变化曲；b)为放电模式下SOC差值曲线。
图7单模组不均衡时充电均衡实验结果；
其中，a)为充电模式下SOC变化曲；b)为充电模式下SOC差值曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。
实施例1：
一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，图1所示为模块化超级电容储能系统的结构图。图2所示为本发明提出的基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制策略。如图2所示，所述能量均衡控制方法包括：
步骤一：构建系统公共电压控制环；所述系统公共电压控制环包括电压参考给定、直流母线电压反馈值以及电压闭环调节器，并将电压环的输出值通过通信线传递到每个子模组电流控制器中；
步骤二：构建各子模组独立电流闭环；所述各子模组独立电流闭环包括电流参考、系统电流反馈值、以及电流环调节器；
步骤三：各子模组利用根据SOC值计算模型获取并联超级电容模组的SOC值，所述SOC值计算模型如下：
其中：Csc为超级电容模组的容量，单位为法拉；Qs为超级电容额定存储电荷量，单位为库伦；usci为第i个超级电容模组的电压值；
步骤四：构建基于硬件电路的均衡母线电路；所述均衡母线电路包括多个二极管及具有良好屏蔽功能的导线；其中，每个二极管均位于所述模块化超级电容储能系统的子模组控制器上，全部二极管的阴极通过均衡母线相接；
步骤五：将各子模组控制器计算产生的SOC信息通过DA转换器转换成为模拟电压信号，并连接于二极管的阳极；
步骤六：各子模组控制器采集均衡母线中的电压信号，并将采集结果通过均衡电流参考值模型生成均衡电流参考值，其中，所述均衡电流参考值模型为：
irefi＝iref[1-k(SOCmax-SOCi)]
其中，iref为公共电压环产生的原始电流参考值，irefi为第i个模组的均衡电流参考值，SOCmax为由均衡母线生成的最大SOC值，k为均衡系数；
步骤七：采集直流母线电流信号，并根据电流给定值模型计算最终的电流给定值，其中，所述电流给定值模型为：
其中，为最终的电流参考值，β0为电流校正系数，sgn(·)为符号函数；
步骤八：各子模组根据最终的电流给定值及采样的系统电流通过电流调节器计算生成各自的占空比，控制子模组的开关器件的导通及关断。
其中，步骤一所述系统公共电压控制环的输出值为原始电流参考给定值；所述输出值通过通信方式传递给各子模组；所述通信方式包括RS485、CAN或TCPIP。
步骤二中所述各子模组的电流闭环具有相同的电流反馈值，且电流给定输入为调整后最终电流给定值，并且所述子模组的个数大于2。
步骤五中转变成为模拟电压信号的SOC值，在与二极管阳极相接前经过一级调理电路，所述调理电路的作用是消除二极管的压降对SOC选择的影响。
步骤六和步骤七所述的均衡系数和电流校正系数满足两个条件：一、系统电流偏差必须始终控制在系统允许的偏差范围之内；二、由SOC校正环节产生的电流给定应该始终为正值。两条件利用公式可以表示为：所述两个条件的表现形式如下：
iref(1-kΔSOC)＞0
其中，ΔIL为电流偏差值，ΔSOC为组间SOC差值。
本发明基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法利用3子模组物理仿真实验平台对其进行了验证，具体验证结果说明如下：
图3至图7所示为本发明均衡控制策略的实验验证图。图中udc为直流母线电压电压，iL为系统电流值，SOC1、SOC2以及SOC3分别为三个超级电容模组的SOC值，△SOCi-j为超级电容第i个模组与第j个模组的SOC差值。实验设定母线电压稳态值为80V，储能系统额定工作电流为15A。
图3所示为储能系统放电模式下的均衡实验结果图。母线初始电压为70V，三组超级电容模组的初始SOC值分别为0.64,0.76以及0.7。图3(a)所示储能系统以14.5A大小的电流向直流母线放电，以提升母线电压至稳态值80V。储能系统稳态放电时间约为2s。SOC变化曲线如图3(b)所示。图3(c)所示为SOC差异变化曲线，△SOC2-3与△SOC3-1分别稳定在了0.038与0.042，较初始值分别均衡了36.7％以及30％。
图4所示为储能系统充电模式下的均衡实验结果图。母线初始电压为98V，三组超级电容模组的初始SOC值分别为0.74,0.68与0.62。图4(a)所示为充电模式下母线电压与储能系统的电流响应曲线，储能系统以稳态14.5A大小的电流存储能量，母线电压由98V逐渐下降至额定值80V。稳态充电时间持续约为4.6s。图4(b)与(c)所示为充电模式下的SOC变化曲线与SOC差值曲线。充电完成后，组间SOC差异△SOC1-2与△SOC3-1分别稳定在了0.012与0.035,较初始时刻分别均衡了80％与41.7％。
图5(a)与(b)所示分别为未加电流校正环节时的放电与充电模式下的母线电压与电流响应曲线。由于未加校正环节时，系统稳态电流较小，稳态放电时间持续了约为2.15s，稳态充电时间持续了约为5.2s。因此，可知增加电流校正环节能够提升均衡策略的电流控制能力。
图6所示为放电模式下单模组不均衡实验结果图。母线初始电压为70V，三组超级电容模组的初始SOC值分别为0.7,0.76以及0.7。图6(a)与(b)分别为SOC变化曲线与SOC差异曲线图，在放电过程中△SOC1-3始终保持为0，而△SOC2-3最终稳定在了0.03，较初始值均衡了50％。
图7所示为充电模式下单模组不均衡实验结果图。母线初始电压为98V，三组超级电容模组的初始SOC值分别为0.74,0.68以及0.68。图7(a)与(b)分别为SOC变化曲线与SOC差异曲线图，在充电过程中△SOC2-3始终保持为0，而△SOC1-3最终稳定在了0.02，较初始值均衡了66.7％。
虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种基于均衡母线的模块化超级电容储能系统能量均衡控制方法，其特征在于，所述能量均衡控制方法包括：
步骤一：构建系统公共电压控制环；所述系统公共电压控制环包括电压参考给定、直流母线电压反馈值以及电压闭环调节器，并将电压环的输出值通过通信线传递到每个子模组电流控制器中；
步骤二：构建各子模组独立电流闭环；所述各子模组独立电流闭环包括电流参考、系统电流反馈值、以及电流环调节器；
步骤三：各子模组利用根据SOC值计算模型获取并联超级电容模组的SOC值，所述SOC值计算模型如下：
其中：Csc为超级电容模组的容量，单位为法拉；Qs为超级电容额定存储电荷量，单位为库伦；usci为第i个超级电容模组的电压值；
步骤四：构建基于硬件电路的均衡母线电路；所述均衡母线电路包括多个二极管及具有良好屏蔽功能的导线；其中，每个二极管均位于所述模块化超级电容储能系统的子模组控制器上，全部二极管的阴极通过均衡母线相接；
步骤五：将各子模组控制器计算产生的SOC信息通过DA转换器转换成为模拟电压信号，并连接于二极管的阳极；
步骤六：各子模组控制器采集均衡母线中的电压信号，并将采集结果通过均衡电流参考值模型生成均衡电流参考值，其中，所述均衡电流参考值模型为：
irefi＝iref[1-k(SOCmax-SOCi)]
其中，iref为公共电压环产生的原始电流参考值，irefi为第i个模组的均衡电流参考值，SOCmax为由均衡母线生成的最大SOC值，k为均衡系数；
步骤七：采集直流母线电流信号，并根据电流给定值模型计算最终的电流给定值，其中，所述电流给定值模型为：
其中，为最终的电流参考值，β0为电流校正系数，sgn(·)为符号函数；
步骤八：各子模组根据最终的电流给定值及采样的系统电流通过电流调节器计算生成各自的占空比，控制子模组的开关器件的导通及关断。
2.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤一所述系统公共电压控制环的输出值为原始电流参考给定值；所述输出值通过通信方式传递给各子模组；所述通信方式包括RS485、CAN或TCPIP。
3.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤二中所述各子模组的电流闭环具有相同的电流反馈值，且电流给定输入为调整后最终电流给定值。
4.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤二中所述子模组的个数大于2。
5.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤五中转变成为模拟电压信号的SOC值，在与二极管阳极相接前经过一级调理电路。
6.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤六所述均衡系数满足两个条件，所述两个条件如下：
iref(1-kΔSOC)＞0
其中，ΔIL为电流偏差值，ΔSOC为组间SOC差值。
7.根据权利要求1所述能量均衡控制方法，其特征在于，步骤七所述电流校正系数满足两个条件，所述两个条件如下：
iref(1-kΔSOC)＞0
其中，ΔIL为电流偏差值，ΔSOC为组间SOC差值。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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