[发明专利]一种用于超级电容储能系统的MMC双向DCDC变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种双向DCDC变换器，尤其涉及一种用于超级电容储能系统的MMC双向DCDC变换器。

背景技术

超级电容器是一种重要的储能元件，具有功率密度大、充放电效率高、循环寿命长等特点，在微电网系统、新能源发电、制动能量吸收利用系统等场合有着广泛的应用前景。

在高压、大容量的超级电容储能应用场合，由于储能电容单体(或电容单体串联的组件)电压较低，通常需要由多个单体或组件串联构成系统。而超级电容单体元件参数离散性较大，由多个单体串联的系统需要考虑电压均衡问题。由于均衡的限制，储能系统难以采用大量单体或组件串联。因而针对较高电压的场合，常用的方法有储能系统的功率变换，如超级电容储能模块串联的储能系统功率变换方案，但该系统仍需附加均衡电路对超级电容组进行电压均衡控制；采用H 桥级联变换器作为应用于交流电网的储能变换方案，该方案降低了每个储能模块(该文中为蓄电池)的电压等级；MMC-BDC储能拓扑在同功率等级条件下开关器件的电压、电流应力小，在相同输出电流纹波条件下所需的电感仅为单半桥拓扑的1/N2(N 为级联模块数)等特点，在高压、大功率双向电能变换场合具有优势。

发明内容

为了克服超级电容单体电压低与应用场合电压高间的矛盾，本发明提出一种用于超级电容储能系统的MMC双向DCDC变换器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

利用双向变换器的小信号模型分析超级电容储能系统电流控制与超级电容组间均压控制的关系，设计多模块多电平双向DC-DC变换器的双闭环控制策略，在稳定控制网侧电感电流的同时实现超级电容组间电压均衡的解耦控制。进一步，根据母线电压变化及超级电容荷电水平(state of charge，SOC)提出储能系统能量控制策略。

用于超级电容储能系统的MMC双向DCDC变换器包括：MMC储能系统、单电流环控制、均压环控制、能量控制四个部分。

所述MMC储能系统是将N个半桥拓扑的下半桥臂依次串联起来接至直流网侧，桥臂两端通过LC 滤波器接超级电容器组。

所述单电流环控制是将采样得到的电流进行PI控制，使其跟踪给定电流。

所述均压环控制以单模块系统为对象进行设计，采用比例P调剂消除电压静差。

所述能量控制以稳定电网侧的电压为控制目标，采用4 个电压调节环，通过叠加运算后确定在不同条件下能量的流向。

本发明的有益效果是：系统实现电流和电压均衡解耦控制，并提出了模块化的双闭环解耦控制策略基于独立直流网电压控制目标，提出了基于网侧电压和超级电容SOC的储能系统管理策略。该系统可有助于减小超级电容单体电压低与应用场合电压高间的矛盾。基于MMC的储能系统在降低开关器件的电压、电流应力的同时将电感电流的纹波频率提高了N倍，对降低电感的体积和重量有极大的帮助。

附图说明

图1 基于MMC-BDC的储能系统电路原理图。

图2 单电流环控制模型。

图3 均压环控制模型。

图4 储能系统能量控制策略框图。

具体实施方式

图1中，它将N 个半桥拓扑的下半桥臂依次串联起来接至直流网侧，桥臂两端通过LC滤波器接超级电容器组(i=1,2,...,N)。由于滤波电感较小，理论分析时可忽略不计。拓扑中的开关器件两端电压由超级电容器组端电压决定，模块串联端口的电压最大值由该模块的超级电容端电压决定。超级电容组处于释能状态时，双向DC-DC变换器工作在降压模式，半桥模块的上桥臂开关管、下桥臂二极管及电感L组成Buck 变换器，超级电容组的能量转移至直流母线侧。开关管导通和关断时，电路分别工作于两种模态。超级电容组处于储能状态时，双向DC-DC 变换器工作在升压模式，半桥模块的下桥臂开关管、上桥臂二极管及电感组成Boost 变换器，直流母线侧能量转移至超级电容。

MMC-BDC 是一种一端串联一端独立的变换系统，通过控制滤波电感L 的电流控制储能系统能量的流动。要实现该系统的稳定可靠运行，变换器控制层面需要包含两个控制环节，一是控制电感电流的电流闭环，另一个是实现模块均衡工作的均压环，这两个闭环都是通过调节模块的占空比来实现的。

图2中：GI 为电流环调节器传递函数；为占空比至输出电压的增益；为电源侧电感电压至电感电流的传递函数；为电流采样系数。

均压环可以单模块系统为对象进行设计。图3中：为电压环调节器传递函数；为超级电容充/放电电流至超级电容端电压的传递函数；为超级电容电压采样系数。

图4中，系统采用4个电压调节环：GPI1_BUS 为母线电压上限电压调节器；GPI2_BUS 为母线电压下限电压调节器；GPI3_SC 为超级电容电压上限电压调节器；GPI4_SC 为超级电容电压下限电压调节器。各调压环后有相应的限幅环节，通过叠加运算后确定在不同条件下能量的流向(定义系统释能时电流流向为正，变换器处于Buck 工作模式；系统储能时电流流向为负，变换器处于Boost 工作模式)。