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混合储能三端口变换器仿真研究.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.72M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 混合储能三端口变换器仿真研究 吴炎，王卫，王盼宝** 5 摘要：本文针对混合储能三端口变换器进行了研究，通过等效模型分析了其工作原理，并推 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，哈尔滨 150001） 导出了端口间的功率传递关系；建立了基于平均电流法的小信号模型，给出了解耦控制方法， 使端口间的相互影响大大减小，并可按照两个回路单独地设计控制策略；给出了基于平滑控 制的混合储能系统能量管理策略，蓄电池和超级电容分别承担功率中的低频成分和高频成 分，并通过 PLECS 仿真验证了所提控制策略的有效性。 关键词：电力电子；三端口；解耦；混合储能 中图分类号：TM46 Research and Simulation of hybrid-storage three-port converter Wu Yan, Wang Wei, Wang Panbao (School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001) Abstract: This paper did a research on three-port converter based on hybrid energy storage, analyzed its working principle with the equivalent model, and deduced the power transfer relationship among the three ports;. Set up a small signal model based on average current method, put forward a decoupling method, which greatly reduced the mutual influence among the ports; Presented a energy management strategy for the hybrid-storage system based on smooth control, the battery and the super capacitor take on low frequency components and high frequency components respectively, and at last, the strategies were verified by simulation in PLECS. Key words: Power electronics;treee-port;decouple;hybrid-storage 10 15 20 25 0 引言 近年来，随着分布式发电的广泛应用，其自身存在的问题逐渐表现出来，如单机接入成 30 本过高，控制困难、功率输出具有波动性等。美国威斯康星大学的 R. H. Lasseter 教授于本 世纪初提出了“微网”这一概念[1]。微网是一种由负荷、分布式共同组成的系统，它可同时 提供电能和热能，并可同时满足用户对电能质量和供电安全等的要求 [2-3]。直流微网是近年 提出的新概念，与交流微电网相比，具有如下优点：1）易于实现各微源之间的协调控制， 通过控制直流母线电压的稳定，即可实现微网系统中各单元的功率平衡；2）直流微网中不 35 需要考虑交流微网中频率、相位、无功环流以及复杂的并网算法等问题，能够快速地实现功 率流动及能量调度[4]；3）直流微网中能量由直流母线经过集中逆变器注入电网，取代了大 量的交流并网逆变器，具有较高的效率和较好的经济性。虽然在传统电力系统中，交流电网 仍占据主导地位，但直流微网正逐渐显示出其巨大的发展潜力，以及未来广阔的应用前景。 作为直流微网中的必不可少的一部分，储能系统对直流母线的支撑起到非常大的作用。 40 然而，就目前的技术水平来看，单一的储能技术很难同时满足能量密度、功率密度、储能效 率、使用寿命、环境特性以及成本等性能指标。因此可以将两种或两种以上互补性强的储能 作者简介：吴炎（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向：三端口变换器技术、直流微电网控制技术 通信联系人：王卫(1963—)，女，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源发电技术、微电网技术、照明 技术等. E-mail: wangwei602@hit.edu.cn - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 技术相结合，以取得大幅度优于单一储能环节的系统性能和经济性。作为储能装置与微电网 的接口单元，三端口 DC/DC 变换器具有结构简单、成本低等优点，如果运行在双向模式， 还可以实现三个电气端口之间的能量自由传递，协调各种能源之间合理利用[5-6]。在以太阳 45 能、风能等新能源与储能装置组成的微电网中，可以采用三端口 DC/DC 变换器将多种新能 源和储能装置连接，利用它们之间的互补性，获得稳定连续的电能。 1 三端口变换器的拓扑与工作原理 1.1 三端口变换器的拓扑 50 本文研究的三端口变换器电路拓扑如图 1 所示。T 为三绕组高频变压器，L1、L2、L3 为功率传输电感。由于该拓扑含有三个 H 桥，所以又称为三重有源桥(TAB，Triple Active Bridge)结构。 图 1 三端口变换器拓扑 Fig. 1 Topology of three-port converter 55 本文采用移相调制法，每个全桥中，同一桥臂的两个开关管互补导通，处于对角位置的 两个开关管同时导通，所有开关管的开关频率相同，占空比都为 50%，桥臂中点电压 vT1 与 vT2、vT1 与 vT3 、vT3 与 vT2 的相位差分别为 φ12、φ13、φ32，也称为移相角。通过调节移相角 的大小和方向就可以调节功率的大小和流向[7]。 1.2 三端口变换器的工作原理 60 可通过图 2(a)所示的 Δ 形等效模型对变换器的工作原理进行分析。理想情况下，可将 一个开关周期分为 6 个阶段。图 2(b)给出 Δ 形等效模型的关键波形。 为得到端口 I 和端口 II 之间的功率传输关系，取电流 iL12 分析。t0—t2 阶段，流经电感 L12 的电流瞬时值可表示为： 65 t2—t3 阶段，vT1 的值为 V1， vT2 的值为 V2 ’，流经电感 L12 的电流可表示为： (1) (2) - 2 - Q1Q3Q2Q4Q5Q7Q6Q8L1TC2i1i2iL1Q9Q11Q10Q12L3i3iL3C1C3L2V2D1Cr1D3Cr3D2Cr2D4Cr4D9Cr9D11Cr11D10Cr10D12Cr12D5Cr5D7Cr7D6Cr6D8Cr8V1V3iL212121212'()(0)LLVViiL121212121212'()()()LLVViiL
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (a) Δ 形等效模型 (b) Δ 形等效模型的关键波形 (a) The Δ equivalent model (b) Key waveforms of Δ equivalent model 70 图 2 Δ 形等效模型与关键波形 Fig. 2 The Δ equivalent model and its key waveforms 另有： 联立式(1)、(2)、(3)可解得： 75 继而可得到端口 I 向端口 II 传输的功率： 同理分别得到端口 I 向端口 III 传输的功率 P13 和端口 III 向端口 II 传输的功率 P32： 80 各端口传递能量的关系为： 2 三端口变换器建模与解耦控制 2.1 三端口变换器的建模 (3) (4) (5) (6) (7) 85 本章以平均电流模型为基础建立三端口变换器的分析模型。取图 2 中 Δ 形等效模型的 一部分进行分析，如图 3 所示。用基波代替方波以简化分析过程[8]，桥臂中点电压 vT1、vT2 的基波成分为： (8) - 3 - vT1L12L13L23P1i1P2i2'P3i3'vT2vT3t0t1t2t3t4t5 00vT1012iL120iL130iL320vT2vT313θθθθθθ321212()(0)LLii212121212121211212122121212''(0)()2'()()2LLLVVViiLLVVVitLL212121211212012'1()(1)2LVVPVidL213131311313013223323233232032'1()(1)2''1'()(1)2LLVVPVidLVVPVidL112132123233213PPPPPPPPP11224/4/TTvVvV
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 3 部分 等效电路 图 4 电压电流向量图 90 Fig. 3 Part of theΔ equivalent model Fig. 4 Vector diagram of voltages and currents 图 4 给出了相应变量的相位关系，即： 观察式(9)可得： 95 于是有： 代入式(8)、式(10)及 ： 同理可得： 100 (9) (10) (11) (12) (13) 式(13)中 。结合式(7)、式(12)-(13)可得： (14) 在某运行点 A 处进行泰勒展开： 105 即有： 同理可得： (15) (16) (17) 结合式(16)-(17)，得到传输函数矩阵： 110 (18) - 4 - vT1L12iL12vT2121v2v12Li12v12v12OImRe1cosVj212sinVj122121212122121212121212120,cossincossinsincosTTTTTTvvjvvvjvvvvvvjvvvj21212sincosTvv1212121121121212sin11coscos222TTTLTvvvPvivLL2f1212123124sinVVPfL1313133132323233234sin4sinVVPfLVVPfL231312121331312121331112134sin4sinPPVPVIVVfLfL33221111213121213133333121312134444sinsincoscosAAAAAAVVVVIIIfLfLfLfL3211212131333121344coscosAAAVVIfLfL12313131312131233132344coscosAAAAVVIfLfL11211123132122IGGIGIGG
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 上式中： (19) 2.2 三端口变换器的解耦方法 由于各端口通过高频变压器与其他端口耦合在一起，从一个特定端口流到另一个端口的 115 能量并不能被独立控制，这一点从式(18)中也可以看出。本文拟控制回路中增添一个解耦环 节 H 来解除耦合[9]，H 为 G 矩阵的逆矩阵，如式(20)所示。 (20) 加入解耦环节 H 后的控制框图如图 5 所示。这样，两个耦合在一起、相互影响的回路 变成了两个单独的回路，有利于控制策略的设计，并且能加快变换器的动态响应。 120 图 5 加入解耦环节后的控制框图 Fig. 5 Control block diagram with decouple segment 2.3 仿真验证 为了验证解耦控制的有效性，使用 PLECS 软件搭建了电流单环仿真模型进行仿真验证， 125 仿真模型如图 6 所示。仿真参数如下：端口 I 电压 48V，端口 III 电压 48V，端口 II 接入 100 电阻作为负载；端口 I 功率传输电感 1 ，端口 II 功率传输电感 64 ，端口 II 功率传 输电感 1 ，开关频率 40kHz，变压器变比为 3：25：3，端口 I 初始电流给定值 6A，端 口 III 初始电流给定值 3A。 130 图 6 解耦控制仿真模型 Fig. 6 Simulation model of decoupling control 图 7(a)所示为 0.1s 时端口 I 电流给定值由 6A 突变为 9A，图 7(b)所示为 0.1s 时端口 III 电流给定值由 3A 突变为-3A。从图中可以看出，给定值突变之前，端口电流能够稳定跟随 - 5 - 32211121213211312333121323122213131312331323444cos,cos,cos,44coscosAAAAAAAVVVGGGfLfLfLVVGfLfL1112111222121212221222111112212211HHGGGGHGHHGGGGGGGGG11G12G21G22++++12132I3IH11H12H21H22++++12'13'GPI1GPI3HG*1I*3IHHH
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 其给定值；其中一个端口给定值发生突变时，其端口电流能够迅速变化并很好地跟随给定值， 135 另一个端口的电流会有一个极微小的波动，但仍会跟随给定值。 图 8(a)所示为 0.1s 时负载电阻由 100 突变到 200 ，图 8(b)所示为 0.1s 时负载电阻 由 100 突变到 30 。从图中可以看出，当负载电阻突然变化时，端口 I 和端口 III 的输入 电流基本保持不变，与给定值相符；端口 I、端口 III 的输入功率保持不变，流经负载的电 流发生了相应的改变。 140 (a) 端口 I 电流给定突变 (b) 端口 III 电流给定突变 (a) given current of Port I waves (b) given current of Port III waves 图 7 电流给定突变仿真结果 Fig. 7 Simulation results when given currents wave 145 (a) 负载电阻突然增大 (b)负载电阻突然减小 (a) Load resistance increases suddenly (b)Load resistance decrease suddenly 图 8 负载突变仿真结果 Fig. 8 Simulation results when load resistance change 150 综合上述分析，该解耦方法效果明显，大大减小了端口间的相互影响。 3 混合储能系统的能量管理研究 3.1 混合储能系统的能量管理策略 本文中的三端口变换器，端口 I 接蓄电池，端口 II 接负载，端口 III 接超级电容。应结 合负载不同的需要，确定合理的放电控制策略。根据储能装置的特点，蓄电池作为主储能装 155 置，提供负载所需功率的低频部分；超级电容作为辅助储能装置，提供负载所需功率的高频 部分。本文采用低通滤波器法来实现混合储能系统的平滑控制[10]。混合储能系统的平滑控 制框图如图 9 所示。 - 6 - i/At / si1i3i2i/At / si1i3i2i1i3i2i/At / si1i3i2i/At / s
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 160 Fig. 9 The smooth control diagram of hybrid energy storage system 图 9 混合储能系统的平滑控制框图 图中Ｐn(s)为负载所需要的总功率。Ｐn(s)通过滤波时间常数为ＴSC的滤波器获得其低频 成分Ｐlf(s)，Ｐn(s)与Ｐlf(s)相减得到超级电容输出功率参考值PSC_ref(s)。Ｐlf(s)即等于蓄电池 输出功率参考值Pbat_ref(s)。PSC_ref(s) 、PBat_ref(s)分别与实时检测到的蓄电池与超级电容端电 压值作除法运算，即可得到蓄电池和超级电容的输出电流参考值iBat *和iSC *。 165 3.2 仿真验证 为了验证能量管理策略的有效性，搭建了PLECS仿真模型进行仿真验证。图10所示为未 加入能量管理策略前蓄电池所在端口(I)的电流波形和移相角φ12，可以看出两者的波动都很 大，这不利于蓄电池的寿命。 170 (a) 蓄电池电流 (b) 移相角 φ12 (a) The battery current (b) Phaseshift φ12 图 10 未加入能量管理策略的仿真结果 Fig. 10 Simulation results without the energy management strategy 175 (a) 电流给定值 (b) 电流实际值 (a) The given current (b) The actual current 图 11 加入能量管理策略的仿真结果 Fig. 11 Simulation results with the energy management strategy - 7 - PSC_ref(s)11SCTsPn(s)PBat_ref(s)Plf(s)i/At / siBatφ/radt / sφ12i/At / siBat*iSC*i/At / siBatiSC
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 180 图 11 所示为加入能量管理策略后的仿真结果。可以看出，滤波环节分离出了功率中的 高频成分和低频成分，蓄电池的电流给定值 ibat*基本平稳，超级电容的电流给定值 iSC*高频 地波动；蓄电池的输出电流 ibat 的最大波动幅度只有不到 1V，而超级电容的输出电流 iSC 的 最大波动幅度达到了 4V。从图中观察到，蓄电池的输出电流并不能无误差地跟随其给定值， 这是由于高频变压器的存在，某两个端口间的移相角发生了变化必定会引起别一个端口功率 的波动。 185 4 结论 本文针对应用于直流微电网中的混合储能三端口变换器进行了研究，基于 Δ 形等效模 型分析了变换器工作原理，并给出了各端口间传输功率的定量关系；以平均电流模型为基础 建立了三端口变换器的信号模型，给出了三端口变换器的解耦控制方法并进行了 PLECS 仿 真验证；给出了混合储能系统的能量管理策略，蓄电池和超级电容各自承担了功率中的不同 190 频率的成分，并通过 PLECS 仿真验证了其有效性。然而该能量管理策略能大大减小蓄电池 电流的波动，确不能消除波动，这一点也是下一步值得深入研究的问题。本文中的三端口变 换器不仅适用于微电网，同样可应用于电动汽车等场合。由于三个端口采用了相同的拓扑， 降低了控制难度，还可以方便地将其扩展成多端口变换器。 [参考文献] (References) 195 200 205 210 [1] Lasseter B. Microgrids [distributed power generation][C]. IEEE Power Engineering Society Winter Meeting, 2001: 146-149 vol.141. [2] 鲁宗相, 王彩霞, 闵勇, 等. 微电网研究综述[J]. 电力系统自动化, 2007,(19): 100-107. [3] 赵宏伟, 吴涛涛. 基于分布式电源的微网技术[J]. 电力系统及其自动化学报, 2008,(01): 121-128. [4] Kurohane K., Senjyu T., Yona A. A high quality power supply system with DC smart grid[C]. IEEE Transmission and Distribution Conference and Exposition, 2010: 1-6. [5] Huang-Jen Chiu, Hsiu-Ming Huang, Li-Wei Lin. A multiple-input DC/DC converter for renewable energy systems[C]. IEEE International Conference on Industrial Technology, 2005: 1304-1308. [6] Al-Atrash H., Reese J., Batarseh I. Tri-Modal Half-Bridge Converter for Three-Port Interface[C]. IEEE Power Electronics Specialists Conference, 2007: 1702-1708. [7] De Doncker R. W. A. A., Divan D. M., Kheraluwala M. H. A three-phase soft-switched high-power-density DC/DC converter for high-power applications[J]. Industry Applications, IEEE Transactions on, 1991, 27(1): 63-73. [8] Chuanhong Zhao, Round S. D., Kolar J. W. An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DC Converter With Decoupled Power Flow Management[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2008, 23(5): 2443-2453. [9] LUYBEN W.Distillation decoupling[J].AIChE,1970,16(2):198-203 [10] 张野, 郭力, 贾宏杰, 等. 基于平滑控制的混合储能系统能量管理方法[J]. 电力系统自动化, 2012,(16): 36-41. - 8 -
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