CN110112764A - 带能量均衡的混合储能系统功率分配电路控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，包括：步骤1，建立功率分配器模型，采用虚拟下垂控制方法，设计变换器参数和控制器参数，实现高频波动电流和稳态电流的分离；步骤2，建立能量均衡器模型，采用预测控制给内环PI控制器生成电流参考值，同时考虑均衡速率和能量效率问题，确定优化目标函数和约束条件；步骤3，在系统变换电路控制器中加入延时环节，缓解功率分配电路和能量均衡电路控制作用之间的冲突，提高系统的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及自动化控制领域，尤其涉及一种带能量均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的不断进步，以及人们对节能、环保、经济性的追求，太阳能、风能、燃料电池等新能源技术在航天器、飞行器、船舶、电动车等的应用中起到了积极的推动作用，电化学储能技术在电力的发、输、配、用各个环节均有其应用场合。它可用于电网的消峰填谷、平滑功率输出、解决可再生能源“随机性”和“间歇性”问题，提高电网运行稳定性，满足不同工况下持续提供稳定的电能需求。
混合储能系统由具有不同特性的储能元件相结合，主要分为能量型和功率型。能量型储能介质的能量密度大、功率密度小、响应速度慢、生命周期短。而功率型储能介质的能量密度小、功率密度大、响应速度快、生命周期长。无论哪种单一储能介质都无法同时满足所有的性能要求，因此，可将能量型储能介质和功率型储能介质相结合，形成混合储能系统，以其互补的特性来提供更加稳定、快速的能量供应，同时更具有经济效益。另外，高频波动电流易对电池自身造成伤害，使其使用寿命降低或容量减小，而超级电容的耐久度则比电池高得多，因此，需使用功率分配技术，在不同负载功率需求的情况下，电池负责提供稳态和吸收稳态功率，而超级电容负责提供和吸收高频波动功率，以延长电池的使用寿命。
功率分配策略是混合储能系统的关键技术。然而传统的功率分配电路的效果会受到超级电容(SC)容量的限制，针对以上问题，本发明提出带能量均衡的混合储能系统的控制方法。功率分配通过下垂控制算法实现，能量均衡通过预测控制算法实现。能量均衡技术能及时调整超级电容的电荷状态，总线式双向均衡器可将超级电容中的多余能量转移到其他电芯，也可从电芯转移能量补充给超级电容，避免超级电容出现过压或欠压现象，保证超级电容能够持续吸收和释放高频波动功率，而电池组只负责稳态功率，起到保护电池、延长系统寿命的作用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其关键在于，包括：步骤1，建立功率分配器模型，采用虚拟下垂控制方法，设计变换器参数和控制器参数，实现高频波动电流和稳态电流的分离；步骤2，建立能量均衡器模型，采用预测控制给内环PI控制器生成电流参考值，同时考虑均衡速率和能量效率问题，确定优化目标函数和约束条件；步骤3，在系统变换电路控制器中加入延时环节，缓解功率分配电路和能量均衡电路控制作用之间的冲突，提高系统的稳定性。
所述一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，优选的，所述步骤1包括：
多节电池以串联形式连接，其中组件个数为N，且N大于等于2，电池组和超级电容(SC)分别连接到与之相对应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，所述电池组、超级电容与双向变换器和控制器之间一一对应，所述电池组和超级电容经对应的双向变换器后并联共用功率分配总线，且外部负载连接到功率分配总线上。
双向变换器实现能量的双向传输，可分为非隔离式和隔离式，所述非隔离式双向变换器包括Buck/Boost、Cuk变换器等；所述隔离式双向比那唤起包括Flyback、Forward、Half-Bridge、Push-Pull、Full-Bridge变换器等。考虑到控制算法的复杂度、变换器能量效率等，在功率分配电路中采用Buck/Boost双向变换器。
虚拟下垂控制是指设计电路参数和控制器参数，在电池组侧和超级电容侧分别形成虚拟电阻和虚拟电容阻抗，根据电阻和电容的频率特性不同，实现电流高频信号和低频信号的分离。根据工况要求，确定负载需求范围、功率分配总线电压，计算得到双向变换器电路的电感、电容值。使得电池组侧输出阻抗为：ZB(s)＝RB；超级电容侧输出阻抗为：均衡电路总系统输出阻抗为：
所述一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，优选的，所述步骤2包括：
电池组包含N节电池，每节电池连接与之相对应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，同样，超级电容连接与之相应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，所述各节电池、超级电容、双向变换器、控制器之间一一对应，所述N节电池和超级电容经对应的双向变换器后并联共用能量均衡总线。
双向变换器实现能量的双向传输，考虑到均衡控制器采用同步控制方式，存在多个双向变换器同时工作的情况，为避免短路，在能量均衡电路中采用隔离型Cuk双向变换器。
为在能量均衡电路中实现预测控制算法，需要：
建立单节电池的电量变化一阶模型：
将超级电容等效为RC串联模型，根据电容充放电特性，可用同单节电池电量变化的一阶模型表示。
将各节电池和超级电容的荷电状态(SOC)作为预测控制输入状态x，将双向变换器的输入输出功率作为预测控制输出u，考虑变换器能量损耗等因素，可建立优化目标函数为：其中， β为权系数，表示时间效率占优化方案的比重。
综合SOC限值、输入输出功率限值、，可得到约束条件为：
Xl≤X(k+1)≤Xu
0≤U(k)≤Pmax
其中，E＝[1,-1,1,-1,…1,-1]1×2n，
为保证系统安全可靠地运行，能量均衡电路的状态空间模型应当满足均衡末态约束条件：x1(k)＝x2(k)＝…xn(k)
所述一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，优选的，所述步骤3包括：
为减小功率分配电路的双向变换器控制效果与能量均衡电路的双向变换器控制效果的相互影响，在系统控制作用中加入延时环节。为提高系统稳定性，先启动能量均衡电路的总线电压稳定控制器，实现均衡总线电压的稳定，再启动均衡电路的能量均衡控制器，使得各节电池和超级电容之间进行能量交换，最后启动功率分配电路控制器，实现超级电容只负责提供和吸收高频波动功率、电池组只负责提供和吸收稳态功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1该功率分配电路可起到保护电池的作用，延长系统的使用寿命，减小系统成本；
2该功率分配电路解决了系统效果受超级电容容量限制的问题，保证功率分配电路持续运行；
3该功率分配电路中的均衡技术采用了预测控制算法，可加大能量均衡速率，使得系统可使用容量更小的超级电容，减小系统体积；
4该均衡分配电路采用为电池和外部负载提供了新的能量流动路径，增强了系统的充放电能力。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法的控制流程框图；
图2是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法的系统结构示意图；
图3是本发明混合储能系统功率分配电路的总线式结构示意图；
图4是本发明混合储能系统功率分配电路的总线式结构等效图；
图5是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路中超级电容的等效图；
图6A-图6B是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路中超级电容的充放电曲线图；
图7是本发明混合储能系统功率分配电路的控制结构网络图；
图8是本发明混合储能系统能量均衡电路的控制结构网络图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提出了一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，图1为控制算法整体过程的示意图。包括：步骤1，建立功率分配器模型，采用虚拟下垂控制方法，设计变换器参数和控制器参数，实现高频波动电流和稳态电流的分离；步骤2，建立能量均衡器模型，采用预测控制给内环PI控制器生成电流参考值，同时考虑均衡速率和能量效率问题，确定优化目标函数和约束条件；步骤3，在系统变换电路控制器中加入延时环节，缓解功率分配电路和能量均衡电路控制作用之间的冲突，提高系统的稳定性。
图2为带均衡的混合储能系统功率分配电路系统的总体框图，主要包括：E1双向变换器输入侧正极接到电池B1的正极，E1双向变换器输入侧负极接到电池Bn的负极，E1双向变换器输出侧的正极接到E2双向变换器输出侧的正极，E1双向变换器输出侧的负极接到E2双向变换器输出侧的负极，负载的一端接到E1双向变换器和E2双向变换器输出侧的正极，负载的另一端接到E1双向变换器和E2双向变换器输出侧的负极，E2双向变换器输入侧的正极接到超级电容SC的正极，E2双向变换器输入侧的负极接到SC的负极。F1双向变换器输入侧正极接到电池B1的正极，F1双向变换器输入侧负极接到电池B1的负极，电池B1的负极还接到电池B2的正极，F2双向变换器输入侧正极接到电池B2的正极，F2双向变换器输入侧的负极接到电池B2的负极，电池B2的负极还接到电池B3的正极，F3双向变换器至Fn双向变换器输入侧正负极与电池B3至电池Bn的连接方式以此类推，Fsc双向变换器输入侧的正极接到SC的正极，Fsc双向变换器输入侧的负极接到SC的负极，F1双向变换器至Fn双向变换器输出侧的正极和Fsc双向变换器输出侧的正极相连接，F1双向变换器至Fn双向变换器输出侧的负极和Fsc双向变换器输出侧的负极相连接。
图3是本发明混合储能系统功率分配电路的总线式结构示意图，电池组和超级电容分别连接到与之相对应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，所述电池组、超级电容与双向变换器和控制器之间一一对应，所述电池组和超级电容经对应的双向变换器后并联共用功率分配总线，且外部负载连接到功率分配总线上。考虑到控制算法的复杂度、变换器能量效率等，在功率分配电路中采用Buck/Boost双向变换器。双向变换器实现能量的双向传输，能量在功率分配总线上进行交换。
图4是本发明混合储能系统功率分配电路的总线式结构等效图，虚拟下垂控制是指设计电路参数和控制器参数，在电池组侧和超级电容侧分别形成虚拟电阻和虚拟电容阻抗，根据电阻和电容的频率特性不同，实现电流高频信号和低频信号的分离。根据工况要求，确定负载需求范围、功率分配总线电压，计算得到双向变换器电路的电感、电容值。使得电池组侧输出阻抗为：ZB(s)＝RB；超级电容侧输出阻抗为：均衡电路总系统输出阻抗为：双向变换器的工作情况由其独立的控制器进行控制，控制器之间采用分布式控制方法，相互之间不进行通信，可避免通信带来的延时等问题。但是，分布式控制方法可能会存在两个双向变换器的上部MOSFET同时导通的现象，造成电池组和超级电容互相充放电。因此，才会在后续算法设计中加入延时环节。
图5是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路中超级电容的等效图，图6A至6B是本发明带能量均衡的混合储能系统功率分配电路中超级电容的充放电曲线图，能量均衡电路中采用预测控制对各节电池和超级电容的SOC进行控制，因此，需建立单节电池和超级电容的电量变化模型。首先建立单节电池的电量变化一阶模型：为进行统一分析，可将超级电容等效为普通电容和电阻组成的RC串联电路，根据电容充放电特性，可用同单节电池电量变化的一阶模型表示。
图7是本发明混合储能系统功率分配电路的控制结构网络图，图中包含Buck/Boost双向变换器的控制流程，硬件电路检测双向变换器中的电感电流、输出电流、输出电压后，经过虚拟下垂控制器进行计算，得到双向变换器电路总两个MOS管的占空比信号，再由隔离驱动电路对MOS进行状态控制。虚拟下垂控制器采用双闭环结构，外环控制器为电压控制，采用PI控制结构，内环为电流控制，采用PI控制结构。
图8是本发明混合储能系统能量均衡电路的控制结构网络图，图中包含Cuk双向变换器的控制流程，硬件电路检测双向变换器中的输出电流、输出电压，经过一阶模型计算得到当前SOC，经过预测均衡控制器进行计算，得到双向变换器电路总两个MOS管的占空比信号，再由隔离驱动电路对MOS进行状态控制。预测均衡控制器中，底层控制器为PI控制器，用于进行输入输出电流的控制，而底层控制器的输入电流参考值则由预测控制生成。
将各节电池和超级电容的荷电状态(SOC)作为预测控制输入状态x，将双向变换器的输入输出功率作为预测控制输出u，考虑变换器能量损耗等因素，可建立优化目标函数为：其中， β为权系数，表示时间效率占优化方案的比重。
综合SOC限值、输入输出功率限值、，可得到约束条件为：
Xl≤X(k+1)≤Xu
0≤U(k)≤Pmax
其中，E＝[1,-1,1,-1,…1,-1]1×2n，
为保证系统安全可靠地运行，能量均衡电路的状态空间模型应当满足均衡末态约束条件：x1(k)＝x2(k)＝…xn(k)
为减小功率分配电路的双向变换器控制效果与能量均衡电路的双向变换器控制效果的相互影响，在系统控制作用中加入延时环节。为提高系统稳定性，先启动能量均衡电路的总线电压稳定控制器，实现均衡总线电压的稳定，再启动均衡电路的能量均衡控制器，使得各节电池和超级电容之间进行能量交换，最后启动功率分配电路控制器，实现超级电容只负责提供和吸收高频波动功率、电池组只负责提供和吸收稳态功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1该功率分配电路可起到保护电池的作用，延长系统的使用寿命，减小系统成本；
2该功率分配电路解决了系统效果受超级电容容量限制的问题，保证功率分配电路持续运行；
3该功率分配电路中的均衡技术采用了预测控制算法，可加大能量均衡速率，使得系统可使用容量更小的超级电容，减小系统体积；
4该均衡分配电路采用为电池和外部负载提供了新的能量流动路径，增强了系统的充放电能力。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，建立功率分配器模型，采用下垂控制方法，设计变换器参数和控制器参数，实现高频波动电流和稳态电流的分离；
步骤2，建立能量均衡器模型，采用预测控制给内环PI控制器生成电流参考值，同时考虑均衡速率和能量效率问题，确定优化目标函数和约束条件；
步骤3，在系统变换电路控制器中加入延时环节，缓解功率分配电路和能量均衡电路控制作用之间的冲突，提高系统的稳定性。
2.根据权利要求1所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，所述步骤1包括：
多节电池以串联形式连接，其中组件个数为N，且N大于等于2，电池组和超级电容(SC)分别连接到与之相对应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，所述电池组、超级电容与双向变换器和控制器之间一一对应，所述电池组和超级电容经对应的双向变换器后并联共用功率分配总线，且外部负载连接到功率分配总线上。
3.根据权利要求2所述的一种带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，功率分配电路双向变换器包括：
双向变换器实现能量的双向传输，可分为非隔离式和隔离式，所述非隔离式双向变换器包括Buck/Boost、Cuk变换器等；所述隔离式双向比那唤起包括Flyback、Forward、Half-Bridge、Push-Pull、Full-Bridge变换器；考虑到控制算法的复杂度、变换器能量效率等，在功率分配电路中采用Buck/Boost双向变换器。
4.根据权利要求2所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，电路参数和控制器参数设计包括：
虚拟下垂控制是指设计电路参数和控制器参数，在电池组侧和超级电容侧分别形成虚拟电阻和虚拟电容阻抗，根据电阻和电容的频率特性不同，实现电流高频信号和低频信号的分离；根据工况要求，确定负载需求范围、功率分配总线电压，计算得到双向变换器电路的电感、电容值；使得电池组侧输出阻抗在频域下的表达式为：ZB(s)＝RB，RB是电池组侧形成的虚拟电阻值；超级电容侧输出阻抗在频域下的表达式为：CSC是超级电容侧形成的虚拟电容值；均衡电路总系统输出阻抗在频域下的表达式为：
5.根据权利要求1所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，所述步骤2包括：
电池组包含N节电池，每节电池连接与之相对应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，同样，超级电容连接与之相应的双向变换器，所述双向变换器连接控制器，所述各节电池、超级电容、双向变换器、控制器之间一一对应，所述N节电池和超级电容经对应的双向变换器后并联共用能量均衡总线。
6.根据权利要求5所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，功率分配电路双向变换器包括：
双向变换器实现能量的双向传输，考虑到均衡控制器采用同步控制方式，存在多个双向变换器同时工作的情况，为避免短路，在能量均衡电路中采用隔离型Cuk双向变换器。
7.根据权利要求5所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，预测控制算法实现包括：
建立单节电池的电量变化一阶模型：
将超级电容等效为RC串联模型，根据电容充放电特性，可用同单节电池电量变化的一阶模型表示；
将各节电池和超级电容的荷电状态(SOC)作为预测控制输入状态x，将双向变换器的输入输出功率作为预测控制输出u，考虑变换器能量损耗等因素，可建立优化目标函数为：其中，U(k)是输出控制序列，部分表示能量损耗，表示均衡时间损耗，要同时实现减小能量损耗和提高均衡速率的目的，则是要在整个工作周期内求解能量损耗和时间损耗的最小解。A＝[1-η1,1-η2,…,1-η1,1-η2]1×2(N+1)，η1为总线端到储能介质端的变换器能量效率，η2为储能介质端到总线端的变换器能量效率，且η1,η2∈[0,1]；B＝[b0,b1,b2,…,bN]，其中，bi(i＝0,1,…N)表示储能介质当前的SOC与均衡稳态值之间的关系，bi＝1表示当前SOC大于均衡稳态值，bi＝-1表示当前SOC低于均衡稳态值，bi＝0表示当前SOC等于均衡稳态值；β为权系数，表示时间效率占优化方案的比重；C＝IN×N，t0为工作周期；k为预测控制在预测时域内的第k步。
综合SOC限值、输入输出功率限值，可得到约束条件为：
Xl≤X(k+1)≤Xu
0≤U(k)≤PMAX
其中，Xl和Xu是超级电容和电池SOC的上下限，PMAX是能量均衡变换器的输入输出功率的最大值，为输入输出能量守恒条件的向量表示形式，E＝[1,-1,1,-1,…1,-1]1×2n，F为储能介质SOC的末态条件，最终超级电容和各节电池要实现SOC的一致，
为保证系统安全可靠地运行，能量均衡电路的状态空间模型应当满足均衡末态约束条件：x1(k)＝x2(k)＝…xn(k)。
8.根据权利要求1所述的带均衡的混合储能系统功率分配电路的控制方法，其特征在于，所述步骤3包括：
为减小功率分配电路的双向变换器控制效果与能量均衡电路的双向变换器控制效果的相互影响，在系统控制作用中加入延时环节；为提高系统稳定性，先启动能量均衡电路的总线电压稳定控制器，实现均衡总线电压的稳定，再启动均衡电路的能量均衡控制器，使得各节电池和超级电容之间进行能量交换，最后启动功率分配电路控制器，实现超级电容只负责提供和吸收高频波动功率、电池组只负责提供和吸收稳态功率。
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