一种新型控制储能系统双向DC/DC变换控制方法与流程

一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法
技术领域
1.本发明涉及储能技术领域，尤其是指一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法。


背景技术：

2.鉴于电能的储存和供应的作用，所以储能系统的研究在微电网中占有重要的地位。由于在微电网系统中采用了储能装置，这不仅提升了微电网系统的供电可靠性，而且改善了电能质量，综合提高了电能利用效率。在孤岛模式下的光储微电网中，储能装置随光伏电源状态的变化而变化，是微电网在实际应用中不可或缺的角色，具有重要意义。鉴于能量存储装置的特殊状态，一方面应考虑能量存储装置的能量密度，另一方面，能量存储装置应具有快速响应能力，并且可以应对某些环境变化。
3.目前，微电网中各种储能装置各有优缺点。各种储能方式无法完全满足长寿命、大功率、高能量、技术完善的需求。由于储能技术的发展尚处于初级阶段，微电网仍需进一步的研究。在这个阶段，就普及的程度与技术成熟的条件而说，蓄电池是目前最广泛运用的能量存储装置之一。然后，现有的蓄电池的储能系统中，对于蓄电池的充放电特性研究不够深入，在蓄电池如何较好微电网中的研究较少，导致蓄电池的储能效率下降。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术中的，现有的蓄电池的储能系统中，对于蓄电池的充放电特性研究不够深入，在蓄电池如何较好微电网中的研究较少，导致蓄电池的储能效率下降的缺陷，提供一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法。
5.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立蓄电池的放电仿真模型；步骤2，根据放电仿真模型构建双向dc/dc变换电路，双向dc/dc电路与直流微电网系统相连接，蓄电池组通过双向dc/dc变换电路改变输入、输出电流极性实现双向工作状态，达到蓄电池组充电、放电的要求。
6.作为优选，所述的双向dc/dc变换电路具体包括：输出电压us、输出电压内阻抗rs、电感l、电感内电阻r
l
、功率开关管s1、反向二极管s2、滤波电容c和等效外电阻r，输出电压us的正极连接输出电压内阻抗rs的一端，输出电压内阻抗rs的另一端连接电感l的一端，电感l的另一端连接电感内电阻r
l
的一端，电感内电阻r
l
的另一端同时连接有功率开关管s1的一端和反向二极管s2的一端、反向二极管s2的另一端同时连接有电容c的一端和等效外电阻r的一端，功率开关管s1的另一端、电容c的另一端和等效外电阻r的另一端同时与输出电压us的负极相连接，功率开关管s1并联有二极管d1，反向二极管s2并联有二极管d2。
7.作为优选，所述的双向dc/dc变换电路进行buck与boost双模式的变换运行，达到4
种运行模式的变换。
8.作为优选，4种运行模式及其变换具体为：工作时间段t0～t1：当在t0～t1时间段中，工作导通的仅有d1二极管，此时的电感压降方向与电流方向恰好相反，同时电感电流会慢慢呈现衰减的变化，us＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt，i
l
＜0；工作时间段t1～t2：在t1时刻，此时s1功率开关管零电压导通，d1反向零电流截止，电感电流的方向从负变成正，且正向电流值呈现慢慢增加的趋势，us＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；工作时间段t2～t3：t2时刻，s1功率开关管出现截止，d2二极管导通进行续流，正向电感的电流达到最大幅值，储能电感与储能元件一起对负载进行供电，电感的电流幅值呈现慢慢衰减的趋势，以上是boost正向升压工作特性，u
s-uc＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；工作时间段t3～t4：t3时刻时，s2功率开关管出现零电压导通，电感电流负向呈现慢慢增加的趋势，d2二极管出现零电流截止，电感电流值的变化从由正过零然后转向负，u
s-uc＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt。
9.作为优选，新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法还对双向dc/dc变换电路电容电压的纹波系数和电感电流的纹波系数做限制，电容电压的纹波系数δuc取上限2％，电感电流的纹波系数δi
l
取上限2％。
10.本发明的有益效果是：本发明研究了直流微电网中的蓄能系统，通过在讨论蓄电池工作原理基础上，分析了蓄电池的充放电特性，也对蓄电池的放电特性展开了matlab/simulink建模仿真，接着重点研究了蓄电池在接入微电网中dc/dc双向接口变换器工作原理，并利用状态空间平均法对boost与双向buck/boost变换器进行了分析，然后对其变换器参数进行了计算。本发明通过合适的变换器参数的选取使蓄电池更好的接入了微电网中，提升了蓄电池的使用效率。
附图说明
11.图1是本发明的一种流程图；图2是本发明蓄电池的蓄电池等效数学模型图；图3是本发明额定电流下的蓄电池放电特性曲线图；图4是本发明模拟的蓄电池仿真放电曲线图；图5是本发明的放电仿真模型图；图6是本发明的双向dc/dc变换电路图；图7是本发明运行模式一的双向dc/dc变换电路图；图8是本发明运行模式二的双向dc/dc变换电路图；图9是本发明运行模式三的双向dc/dc变换电路图；图10是本发明运行模式四的双向dc/dc变换电路图。
具体实施方式
12.下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
13.实施例：一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1，建立蓄电池的放电仿真模型；步骤2，根据放电仿真模型构建双向dc/dc变换电路，双向dc/dc电路与直流微电网系统相连接，蓄电池组通过双向dc/dc变换电路改变输入、输出电流极性实现双向工作状态，达到蓄电池组充电、放电的要求。
14.蓄电池在微电网的储能系统中是非常关键的环节，它作为能量的储能与释放部分，具有能量密度高、低成本的特征，易于维护与安装，运行稳定。蓄电池常见的一般模型，有电化学模型、等效电路模型、黑箱等模型等。本文将采用等效电路的蓄电池模型用于后面的分析研究。当前应用较为多的等效电路模型是：三阶以及四阶的动态模型、简单的等效电路模型、戴维南的等效电路模型等。戴维南的等效电路模型有时当作研究短期蓄电池的放电模型，适用于短时间的蓄电池充放电动态研究分析。
15.在蓄电池充放电的特性曲线拟合的思想基础上，本发明采用由恒定电压源和内阻抗串联构成的电池模型，其拟合的端电压与实际电压的统计标准差较小。该模型具体如图2所示。
16.其中，蓄电池等效可控电压源的表达式：其中，蓄电池等效可控电压源的表达式：ub＝e-rbibꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)1、2与3式中，η代表充放电效率；q代表额定容量(ah)；e0代表空载电势(v)；∫idt代表电池容量变化值；a代表电压的增益(v)；代表额定特性区域的电池放电特性；b代表增益容量的倒数(ah)-1
；ib代表充放电电流(a)；aexp(-b∫ibdt)代表用于描述初始放电阶段的指数特性；ub代表端电压；rb代表内阻抗；ib代表工作电流。
17.某储能电池制造商开发生产的某型号的蓄电池，在额定电流下的放电特性曲线如图3。其中蓄电池额定的电压400v，额蓄电池额定的容量10ah，蓄电池放电的电流2a。
18.由图3额定电流下的蓄电池放电特性曲线，可求得内阻抗电阻的大小，具体公式方程如下：i
nom
＝q
nom
·
0.2/1hr
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)整理化简公式，得
19.3/b代表在指数区域中电池容量的增益倒数；a代表在指数区域中电池内电压下降度，a＝e
full-e
exp
；b＝3/q
exp
。
20.则推导可得相应放电曲线的极化电压：
由以上蓄电池模型的参数结果数值，与蓄电池的空载内电势的数学关系式e0＝e
full
+e
p
+rbi
b-a，易得b＝90(ah)-1
；a＝27.3593v；e
p
＝1.1238v；rb＝0.4ω；e0＝408.967v。基于以上所得数据，利用matlab/simulink编程与仿真，可得图4蓄电池放电特性曲线。
21.仿真中采用的蓄电池是matlab/simulink电气元件库中的原始蓄电池。通过用预设数值仿真太阳能光伏的发电量与负荷需求量，假如太阳能光伏的发电量大于负荷需求量时，则太阳能光伏发电系统就对蓄电池充电，其中蓄电池电压将一直处于上升趋势，直到达到蓄电池的额定电压。假如太阳能光伏的发电量小于负荷需求量时，则蓄电池就对微电网系统就行放电，电池中的荷电状态会慢慢呈现递减的趋势。在放电的全部过程中，电流也会慢慢呈现递减的趋势。具体蓄电池充放电matlab/simulink仿真模型，如图5所示。
22.所述的双向dc/dc变换电路具体如图6所示，包括：输出电压us、输出电压内阻抗rs、电感l、电感内电阻r
l
、功率开关管s1、反向二极管s2、滤波电容c和等效外电阻r，输出电压us的正极连接输出电压内阻抗rs的一端，输出电压内阻抗rs的另一端连接电感l的一端，电感l的另一端连接电感内电阻r
l
的一端，电感内电阻r
l
的另一端同时连接有功率开关管s1的一端和反向二极管s2的一端、反向二极管s2的另一端同时连接有电容c的一端和等效外电阻r的一端，功率开关管s1的另一端、电容c的另一端和等效外电阻r的另一端同时与输出电压us的负极相连接，功率开关管s1并联有二极管d1，反向二极管s2并联有二极管d2。
23.所述的双向dc/dc变换电路进行buck与boost双模式的变换运行，达到4种运行模式的变换。依据双向dc/dc变换电路的基本模型，结构中具有导通工作时间的二极管与功率开关管分别有2个，共计4个关键节点器件，因此可分出4种运行模式。
24.4种运行模式及其变换具体为：如图7所示，工作时间段t0～t1：当在t0～t1时间段中，工作导通的仅有d1二极管，此时的电感压降方向与电流方向恰好相反，同时电感电流会慢慢呈现衰减的变化，us＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt，i
l
＜0；如图8所示，工作时间段t1～t2：在t1时刻，此时s1功率开关管零电压导通，d1反向零电流截止，电感电流的方向从负变成正，且正向电流值呈现慢慢增加的趋势，us＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；如图9所示，工作时间段t2～t3：t2时刻，s1功率开关管出现截止，d2二极管导通进行续流，正向电感的电流达到最大幅值，储能电感与储能元件一起对负载进行供电，电感的电流幅值呈现慢慢衰减的趋势，以上是boost正向升压工作特性，u
s-uc＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；如图10所示，工作时间段t3～t4：t3时刻时，s2功率开关管出现零电压导通，电感电流负向呈现慢慢增加的趋势，d2二极管出现零电流截止，电感电流值的变化从由正过零然后转向负，u
s-uc＝(rs+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt。
25.基于以上4种运行模式的理论基础分析，双向dc/dc功率变换电路的s1、s2功率管与d1、d2二极管的导通工作，其中d代表s1/d1的占空比，那么1-d就代表s2/d2的占空比。iload
、us代表输入变量，i
l
、uc代表状态变量。
26.在t0～t2时间段与t2～t4时间段内，导通的双向dc/dc功率变换电路s1、s2功率管方程依次为3-11、3-12式：12式：化简整理成状态空间的矩阵方程：化简整理成状态空间的矩阵方程：设那么根据状态空间的矩阵方程，整理得：空间的矩阵方程，整理得：则双向dc/dc功率变换电路空间状态的矩阵方程：
设(i
l
，uc，，us，d，io，i
load
)是双向dc/dc功率变换电路的静态工作点。
27.根据易化简整理得出，对应的状态变量方程：根据d＝d+d，us＝us+δus，i
load
＝i
load
+δi
load
，io＝io+δio，i
l
＝i
l
+δi
l
，uc＝uc+δuc，在双向dc/dc功率变换电路的静态工作点进行外加的小信号交流扰动量，其中忽略二次高阶项，化简整理得交流小信号的矩阵方程：化简整理解得：根据12式，双向dc/dc功率变换电路的输入变量到状态变量的传递函数方程：根据12式，双向dc/dc功率变换电路的输入变量到状态变量的传递函数方程：根据12式，双向dc/dc功率变换电路的输入变量到状态变量的传递函数方程：根据12式，双向dc/dc功率变换电路的输入变量到状态变量的传递函数方程：双向dc/dc功率变换电路的控制变量到状态变量的方程：双向dc/dc功率变换电路的控制变量到状态变量的方程：新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法还对双向dc/dc变换电路电容电压的纹波系数和电感电流的纹波系数做限制，电容电压的纹波系数δuc取上限2％，电感电流的纹波系数δi
l
取上限2％。双向dc/dc功率变换电路能够对电池端电压实现充、放电的控制，以此达到直流微电网中平抑功率波动的目的。同时，对于双向dc/dc功率变换电路的电压支
撑与纹波控制也有相应要求，所以需要对滤波电容与升压电感进行分析计算与参数选取。
28.蓄电池额定容量s＝10ah，额定电压u
bref
＝400v，放电的额定电流为50a，内阻为0.4ω，输出电压为800v，系统开关频率为10khz；电容额定容量为c＝45f，工作电压为u
scref
＝400v，放电额定电流为30a，等效内阻为2.1e-3ω。
29.其中，升压电感l与占空比d的参数选取如下：其中，升压电感l与占空比d的参数选取如下：其中，升压电感l与占空比d的参数选取如下：根据蓄电池的以上参数，整理计算得l》17.77mh，考虑到预存裕量，一般取电感值l＝20mh。如果根据以上相关电容参数，整理计算得l》29.62mh，考虑到预存裕量，一般取电感l＝30mh。
30.双向dc/dc功率变换电路的滤波电容参数方程式：双向dc/dc功率变换电路的滤波电容参数方程式：根据蓄电池的以上参数，整理计算得c》156.25uf，考虑到预存裕量，一般取电容值c＝160uf。如果根据以上相关电容参数，整理计算得c》93.75uf，考虑到预存裕量，一般取电容值c＝100uf。由于直流微电网中的储能系统的电容是与蓄电池直接连接的，考虑到滤波电容为并联方式，因此综合考虑，选取总的滤波值为2000uf。
31.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

技术特征：
1.一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，其特征是，包括以下步骤：步骤1，建立蓄电池的放电仿真模型；步骤2，根据放电仿真模型构建双向dc/dc变换电路，双向dc/dc电路与直流微电网系统相连接，蓄电池组通过双向dc/dc变换电路改变输入、输出电流极性实现双向工作状态，达到蓄电池组充电、放电的要求。2.根据权利要求1所述的一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，其特征是，所述的双向dc/dc变换电路具体包括：输出电压u
s
、输出电压内阻抗r
s
、电感l、电感内电阻r
l
、功率开关管s1、反向二极管s2、滤波电容c和等效外电阻r，输出电压u
s
的正极连接输出电压内阻抗r
s
的一端，输出电压内阻抗r
s
的另一端连接电感l的一端，电感l的另一端连接电感内电阻r
l
的一端，电感内电阻r
l
的另一端同时连接有功率开关管s1的一端和反向二极管s2的一端、反向二极管s2的另一端同时连接有电容c的一端和等效外电阻r的一端，功率开关管s1的另一端、电容c的另一端和等效外电阻r的另一端同时与输出电压u
s
的负极相连接，功率开关管s1并联有二极管d1，反向二极管s2并联有二极管d2。3.根据权利要求2所述的一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，其特征是，所述的双向dc/dc变换电路进行buck与boost双模式的变换运行，达到4种运行模式的变换。4.根据权利要求3所述的一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，其特征是，4种运行模式及其变换具体为：工作时间段t0～t1：当在t0～t1时间段中，工作导通的仅有d1二极管，此时的电感压降方向与电流方向恰好相反，同时电感电流会慢慢呈现衰减的变化，u
s
＝(r
s
+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt，i
l
＜0；工作时间段t1～t2：在t1时刻，此时s1功率开关管零电压导通，d1反向零电流截止，电感电流的方向从负变成正，且正向电流值呈现慢慢增加的趋势，u
s
＝(r
s
+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；工作时间段t2～t3：t2时刻，s1功率开关管出现截止，d2二极管导通进行续流，正向电感的电流达到最大幅值，储能电感与储能元件一起对负载进行供电，电感的电流幅值呈现慢慢衰减的趋势，以上是boost正向升压工作特性，u
s-u
c
＝(r
s
+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt；工作时间段t3～t4：t3时刻时，s2功率开关管出现零电压导通，电感电流负向呈现慢慢增加的趋势，d2二极管出现零电流截止，电感电流值的变化从由正过零然后转向负，u
s-u
c
＝(r
s
+r
l
)i
l
+ld i
l
/dt。5.根据权利要求4所述的一种新型控制储能系统双向dc/dc变换控制方法，其特征是，还对双向dc/dc变换电路电容电压的纹波系数和电感电流的纹波系数做限制，电容电压的纹波系数δu
c
取上限2％，电感电流的纹波系数δi
l
取上限2％。

技术总结
本发明公开了一种新型控制储能系统双向DC/DC变换控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立蓄电池的放电仿真模型；步骤2，根据放电仿真模型构建双向DC/DC变换电路，双向DC/DC电路与直流微电网系统相连接，蓄电池组通过双向DC/DC变换电路改变输入、输出电流极性实现双向工作状态，达到蓄电池组充电、放电的要求。本发明研究了直流微电网中的蓄能系统，通过在讨论蓄电池工作原理基础上，分析了蓄电池的充放电特性，也对蓄电池的放电特性展开了Matlab/Simulink建模仿真，接着重点研究了蓄电池在接入微电网中DC/DC双向接口变换器工作原理，并利用状态空间平均法对Boost与双向Buck/Boost变换器进行了分析，然后对其变换器参数进行了计算。计算。计算。


技术研发人员：尹聪聪 高明 孙吉裕 张雨前
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司宁波供电公司
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/9/5