混合储能系统二次电压补偿方法与流程

1.本发明涉及储能技术领域，具体是一种涉及锂电池和超级电容组成的混合储能系统二次电压补偿方法。


背景技术：

2.混合储能系统因其兼顾了高能量密度和高功率密度，在功率特性复杂的场合得到了广泛的应用，如可再生能源电力系统、新能源交通工具等。常见混合储能系统由锂电池和超级电容组合而成，锂电池用于响应负载的长时间低幅值的能量需求，超级电容用于响应负载的瞬时高幅值的功率需求，以充分发挥混合储能系统中两种储能介质的特性优势。
3.基于下垂控制衍生的虚拟阻抗控制方法通过虚拟电阻和虚拟电容构成的滤波器实现了负载功率的频率划分，根据储能介质频率特性设定滤波器的截止频率，以充分利用储能介质特性优势和配置容量。虚拟阻抗控制是由下垂控制衍生而来，因此存在下垂控制的固有不足。虚拟电阻控制导致输出电压偏差，且随着输出功率的增加而增大。虚拟电容控制的超级电容变换器响应负载瞬态功率，能量的输出会导致端电压的变化，存在端电压越限的可能。常规的电压补偿控制方法，难以同时满足虚拟电阻的电压偏差以及虚拟电容的端电压越限的可能。同时电压补偿控制的加入会影响滤波器的截止频率值，难以充分利用储能介质特性优势和配置容量。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种混合储能系统二次电压补偿方法,基于响应时间一致设计二次电压补偿控制器的参数，实现输出母线电压和超级电容端电压的补偿，维持混合储能系统的功率分配特征。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.(1)二次电压补偿方法
7.基于虚拟阻抗控制实现了混合储能系统的负载功率的频率分配，但由于虚拟阻抗控制本质还是下垂控制，因此存在下垂控制的固有不足，即下垂系数导致输出电压偏差，影响电压敏感性负载的稳定性。因此，虚拟阻抗控制中虚拟电阻控制的锂电池变换器的输出电压补偿控制可表示为：
8.u
12
＝u
ref-rdi
11
(u
ref-u
12
)gbꢀꢀꢀ
(1)
9.式中，u
12
为锂电池变换器输出电压；u
ref
为输出参考电压；rd为虚拟电阻值；i
11
为锂电池变换器电感电流；gb为输出电压二次补偿控制器，gb＝k
pb
k
ib
/s。
10.虚拟阻抗控制中虚拟电容控制的超级电容变换器具备瞬态输出能力，超级电容在瞬态响应负载功率需求后，因其功率特性在能量输出后端电压发生较大变化，存在越限的可能。因此，为了实现了超级电容瞬态响应的能量恢复，端电压补偿控制可表示为：
11.12.式中，u
22
为超级电容变换器输出电压；cd为虚拟电容值；i
21
为超级电容变换器电感电流；g
sc
为端电压补偿控制器g
sc
＝k
pc
k
ic
/s，k
pc
为控制器比例系数，k
ic
为控制器积分系数，s为复变量；u
210
为超级电容端电压稳定偏差，设置为0，即瞬态响应后能量恢复端电压恢复初始值；k
sc
为虚拟电容值与超级电容值之间的比值关系；
13.(2)控制器参数设计方法
14.根据虚拟电阻控制的锂电池变换器输出电压补偿的控制框图，系统传递函数可表示为：
[0015][0016]
电感电流与输出电压之间的小信号传递函数，可由电感电流与占空比的传递函数比输出电压与占空比的传递函数得到，小信号传递函数受到变换器控制带宽的限制，可简化表示为：
[0017][0018]
因此，系统函数可简化为：
[0019][0020]
上式中分母系数可化简为k
pb
/k
ib
(rdi
11
u
12
)/(k
ibu12
)，大于分子系数。因此，零点频率要大于极点频率，所以极点频率f
sva
决定了虚拟电阻控制二次电压补偿环路的带宽。为了减小二次电压补偿控制环路中零点的影响，设置零点频率为电压环截止频率的5倍。因此，二次电压补偿控制传递函数的零极点的角频率可表示为：
[0021][0022]
虚拟阻抗控制中，虚拟电阻和虚拟电容并联后的阻抗直接影响脉动功率的频率分配。加入二次电压补偿控制后，虚拟电阻和虚拟电容的输出阻抗也随之发生改变，储能介质变换器电感电流可表示为：
[0023][0024]
式中，
[0025]
只有合理的设计控制器g
sc
的参数，才能实现虚拟电容二次电压补偿控制目标。上式为三阶系统，分析复杂度高，因此根据共轭主导极点将虚拟电容控制变换器的电感电流传递函数的三阶系统化简为二阶系统。
[0026]
为了保持二次电压补偿控制前后电流的动态响应时间一致，以电流二阶系统的响应时间与虚拟电阻和虚拟电容构成滤波器的时间常数相同为目标，设计二阶系统的参数，进而得到虚拟电容二次电压补偿控制器的参数。
[0027]
本发明有益效果在于：
[0028]
1、采用二次电压补偿的方法补偿虚拟阻抗控制引起的输出电压偏差，以及超级电容瞬态响应后端电压越限的问题；
[0029]
2、为了维持虚拟阻抗控制的功率分配特征，基于系统响应时间一致的控制环路等效化简的方法设计二次电压补偿环路控制器参数，实现输出母线电压和超级电容端电压的补偿，维持混合储能系统的功率分配特征。
[0030]
3、适用于混合储能系统在新能源交通工具、新能源电力系统等场合的电压控制。
附图说明
[0031]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0032]
图1：混合储能系统二次电压补偿控制框图；
[0033]
图2：虚拟电阻控制输出电压补偿控制框图；
[0034]
图3：解耦虚拟电阻环路控制框图；
[0035]
图4：等效控制框图；
[0036]
图5：输出电压补偿简化控制框图；
[0037]
图6：rd＝1时波特图；
[0038]
图7：rd＝2时波特图；
[0039]
图8：系统电流阶跃响应图。
具体实施方式
[0040]
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
[0041]
结合图1中虚拟电阻控制二次电压补偿控制与双向变换器的小信号模型，建立虚拟电阻控制二次电压补偿的系统控制框图，如图2所示，环路较多，分析过程复杂。因此，需要对图2控制框图进行解耦化简，将虚拟控制环路和电流内环解耦，右移到输出端，如图3所示。双向变换器的电压电流环控制可视为一个整体，如图4所示，在带宽内系统增益为1，即输出等于输入。
[0042]
进一步简化输出电压补偿控制的控制框图，如图5所示。g1为加入虚拟控制的变换器电压控制传递函数。分析图5可发现，存在两条前向通道g1和gbg1。在g1中，输出电压可由基准电压经过g1直接得到，可实现一个开环结构。在gbg1中，gb可用于对输出电压进行误差调节，补偿电压偏差，视为一个闭环结构。系统小信号控制框图的化简主要为了设计虚拟电阻控制输出电压补偿控制器的参数设计。
[0043][0044][0045]
电感电流与输出电压之间的小信号传递函数，可由电感电流与占空比的传递函数比输出电压与占空比的传递函数得到。小信号传递函数受到变换器控制带宽的限制，可简化表示为：
[0046][0047]
综合上述公式，式(2)可表示为：
[0048][0049]
式(4)中，分母系数可化简为k
pb
/k
ib
(rdi
11
u
12
)/(k
ibu12
)，大于分子系数。因此，零点频率要大于极点频率，所以极点频率f
sva
决定了vrdc的svc的控制带宽。通常极点频率为需要设计的频率值，要小于5倍的电压环截止频率。为了减小svc控制环路中零点的影响，设置零点频率为电压环截止频率的5倍。因此，svc传递函数的零极点的角频率可表示为：
[0050][0051]
设定极点截止频率f
sva
为5hz。当虚拟电阻rd＝1时，可计算得到虚拟电阻控制二次电压补偿控制器参数k
pb
＝0.06和k
ib
＝35.5，如6所示。当虚拟电阻rd＝2时，可计算得到虚拟电阻控制二次电压补偿控制器参数k
pb
＝0.06和k
ib
＝37.9，如图7所示。图6和图7 为虚拟电阻控制二次电压补偿控制的波特图，在没有二次电压补偿控制时，电压闭环控制环路存在衰减系数，输出有偏差。虚拟电阻值越大，衰减系数越大。当加入二次电压补偿控制后，能够很好的克服虚拟控制带来的偏差，闭环增益为1。在两种虚拟电阻值情况下，二次电压补偿都能够消除衰减，同时截止频率为5hz，满足设计要求。
[0052]
虚拟阻抗控制中，虚拟电阻和虚拟电容并联后的阻抗直接影响脉动功率的频率分配。加入二次电压补偿控制后，虚拟电阻和虚拟电容的输出阻抗也随之发生改变，储能介质变换器电感电流可表示为：
[0053][0054]
式中，
[0055]
只有合理的设计控制器g
sc
的参数，才能实现vcdc的svc控制目标。式(6)为三阶系统，分析复杂度高。根据三阶系统的共轭主导极点对式(6)进行化简，共轭主导极点离虚轴的距离最近，因此采用共轭极点将三阶系统等效为二阶系统。
[0056]
虚拟电容控制二次电压补偿不仅要求超级电容端电压动态响应后能够恢复到初始值，还要保证超级电容的电感电流瞬态响应时间与初始设计的建立时间相同。因此，合理地设计虚拟电容控制二次电压补偿控制器参数非常重要。
[0057]
根据二阶系统阶跃响应的最大超调量限制，滞后角度β通常设置为0.1π。为了保证在加入二次电压补偿前后，二阶系统的建立时间ts与虚拟电阻和虚拟电容设计的时间常数τ满足3τ的关系，可计算二阶系统的衰减系数和振荡频率。
[0058]
设定系统的建立时间ts为时间常数τ的3倍，误差带设定为3％。图8为加入二次电压补偿前后，锂电池变换器电感电流i
11
和超级电容变换器电感电流i
21
阶跃响应的波形。从图8可发现，未加入二次电压补偿只有虚拟阻抗控制时的电感电流i
11n
和i
21n
与加入二次电压补偿控制的电感电流i
11y
和i
21y
的建立时间ts相同。
[0059]
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。