[发明专利]一种结合蓄电池与超级电容的微电网储能装置及控制方法

权利要求书

1.一种结合蓄电池与超级电容的微电网储能装置，所述微电网储能装置由蓄电池、超级电容、MPU控制器、第一单相逆变桥、第二单相逆变桥、第一LCL滤波器、第二LCL滤波器、第一驱动模块、第二驱动模块、第一至第四电流传感器、第一至第五电压传感器构成，并通过第一至第四电缆连接至微电网母线，其中，第一单相逆变桥由第一至第四功率管构成，第二单相逆变桥由第五至第八功率管构成；第一LCL滤波器与第二LCL滤波器均由单相逆变桥侧电感、滤波电容、电网侧电感构成；

第一驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第一驱动模块的一输出端与第一单相逆变桥的第一功率管、第四功率管的栅极连接，第一驱动模块的另一输出端与第一单相逆变桥的第二功率管、第三功率管的栅极连接；

第二驱动模块的输入端与MPU控制器连接，第二驱动模块的一输出端与第二单相逆变桥的第五功率管、第八功率管的栅极连接，第二驱动模块的另一输出端与第二单相逆变桥的第六功率管、第七功率管的栅极连接；

超级电容的输出正端与第一电压传感器的测量正端连接，超级电容的输出负端与第一电压传感器的测量负端连接；第一电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一单相逆变桥的输入正端与超级电容的输出正端连接，第一单相逆变桥的输入负端与超级电容的输出负端连接，第一单相逆变桥的输出正端与第一电流传感器的测量正端连接，第一单相逆变桥的输出负端与第一LCL滤波器的滤波电容的负端连接；第一电流传感器的测量负端与第一LCL滤波器逆变桥侧电感的一端连接，第一电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一LCL滤波器逆变桥侧电感的另一端与第一LCL滤波器的滤波电容的正端连接；第一LCL滤波器电网侧电感的一端与第一LCL滤波器的滤波电容的正端连接，第一LCL滤波器电网侧电感的另一端与第二电流传感器的测量正端连接；第二电流传感器的测量负端与第二电压传感器的测量正端连接，第二电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二电压传感器的测量负端与第一单相逆变桥的输出负端连接，第二电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第一电缆的一端与第二电流传感器的测量负端连接，第一电缆的另一端与微电网母线的正端连接；第二电缆的一端与第二电压传感器的测量负端连接，第二电缆的另一端与微电网母线的负端连接；第五电压传感器的测量正端与微电网母线的正端连接，第五电压传感器的测量负端与微电网母线的负端连接，第五电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；

蓄电池的输出正端与第三电压传感器的测量正端连接，蓄电池的输出负端与第三电压传感器的测量负端连接；第三电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二单相逆变桥的输入正端与蓄电池的输出正端连接，第二单相逆变桥的输入负端与蓄电池的输出负端连接，第二单相逆变桥的输出正端与第三电流传感器的测量正端连接，第二单相逆变桥的输出负端与第二LCL滤波器的滤波电容的负端连接；第三电流传感器的测量负端与第二LCL滤波器逆变桥侧电感的一端连接，第三电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第二LCL滤波器逆变桥侧电感的另一端与第二LCL滤波器的滤波电容的正端连接；第二LCL滤波器电网侧电感的一端与第二LCL滤波器的滤波电容的正端连接，第二LCL滤波器电网侧电感的另一端与第四电流传感器的测量正端连接；第四电流传感器的测量负端与第四电压传感器的测量正端连接，第四电流传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第四电压传感器的测量负端与第二单相逆变桥的输出负端连接，第四电压传感器的测量输出端与MPU控制器连接；第三电缆的一端与第四电流传感器的测量负端连接，第三电缆的另一端与微电网母线的正端连接；第四电缆的一端与第四电压传感器的测量负端连接，第四电缆的另一端与微电网母线的负端连接；

其特征在于其中的MPU控制器的工作原理包括以下步骤：

a.采集微电网的有功功率调度指令P*与无功功率调度指令Q*，分别经低通滤波器滤波后，得到有功功率调度指令P*的低频部分PL与无功功率调度指令Q*的低频部分QL，低通滤波器的计算公式为

其中，ωc为低通滤波器截止频率，ω为输入信号的频率，则有功功率调度指令P*的高频部分为

PH＝P*-PL

无功功率调度指令Q*的高频部分为

QH＝Q*-QL

b.在t时刻，利用第五电压传感器采集微电网母线电压ug，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流ig1，经过第一功率计算器得到时间段T内的超级电容的并网有功功率P1与并网无功功率Q1；利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流ig2，经过第二功率计算器得到时间段T内的蓄电池的并网有功功率P2与并网无功功率Q2，第一功率计算器的原理为

第二功率计算器的原理为

c.将有功功率调度指令P*的高频部分PH、无功功率调度指令Q*的高频部分QH、超级电容的并网有功功率P1与并网无功功率Q1输入第一变比例下垂控制器，计算出第一LCL滤波器输出电压的参考幅值U1*与参考频率f1*为：

其中，U1H、f1H分别为t-1时刻第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，kp1和kq1分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算：

式中，a11、a12、a21、a22、b11、b12、b21、b22均为常数；

将有功功率调度指令P*的低频部分PL、无功功率调度指令Q*的低频部分QL、蓄电池的并网有功功率P2与并网无功功率Q2输入第二变比例下垂控制器，计算出第二LCL滤波器输出电压的参考幅值U2*与参考频率f2*为：

其中，U2L、f2L分别为t-1时刻第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和参考频率，kp2和kq2分别为超级电容的有功下垂系数和无功下垂系数，按照下式进行计算；

式中，a31、a32、a41、a42、b31、b32、b41、b42均为常数；

d.依据第一LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第一滤波器输出电压的设定值信号U1ref，利用第二电压传感器采集LCL第一滤波器输出电压信号U1，将它们送入第一电压环，第一电压环按照比例积分控制器进行计算，其传递函数为

其中KpU1表示第一电压环比例系数，KiU1表示第一电压环积分系数；

依据第二LCL滤波器输出电压的参考幅值和频率，利用参考电压合成模块生成正弦交流信号作为LCL第二滤波器输出电压的设定值信号U2ref，利用第四电压传感器采集LCL第二滤波器输出电压信号U2，将它们送入第二电压环，第二电压环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中KpU2表示第二电压环比例系数，KiU2表示第二电压环积分系数；

e.利用第一电流传感器采集第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i1，利用第二电流传感器采集第一LCL滤波器电网侧电感电流ig1，计算第一LCL滤波器滤波电容电流为ic1＝i1-ig1，将其乘以虚拟阻抗Rd1Cs，然后与第一电压环的输出相加作为第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i1的设定值i1ref；将第一LCL滤波器逆变桥侧电感电流i1与其设定值i1ref送入第一电流环，第一电流环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中Kpi1表示第一电流环比例系数，Kii1表示第一电流环积分系数；

利用第三电流传感器采集第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i2，利用第四电流传感器采集第二LCL滤波器电网侧电感电流ig2，计算第二LCL滤波器滤波电容电流为ic2＝i2-ig2，将其乘以虚拟阻抗Rd2Cs，然后与第二电压环的输出相加作为第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i2的设定值i2ref；将第二LCL滤波器逆变桥侧电感电流i2与其设定值i2ref送入第二电流环，第二电流环按照比例积分控制器进行输出，其传递函数为

其中Kpi2表示第二电流环比例系数，Kii2表示第二电流环积分系数；

f.利用第一电压传感器采集超级电容端电压Ud1，乘以前馈系数K1，再与第一电流环的输出相乘作为第一驱动模块的占空比控制信号d1，前馈系数K1的计算公式为

其中Ud1s为超级电容的额定电压；

利用第三电压传感器采集蓄电池端电压Ud2，乘以前馈系数K2，再与第二电流环的输出相乘作为第二驱动模块的占空比控制信号d2，前馈系数K2的计算公式为

其中Ud2s为蓄电池的额定电压。