本發(fā)明涉及一種雙向DCDC變換器，尤其涉及一種用于超級電容儲能系統(tǒng)的MMC雙向DCDC變換器。

背景技術(shù)：

超級電容器是一種重要的儲能元件，具有功率密度大、充放電效率高、循環(huán)壽命長等特點，在微電網(wǎng)系統(tǒng)、新能源發(fā)電、制動能量吸收利用系統(tǒng)等場合有著廣泛的應(yīng)用前景。

在高壓、大容量的超級電容儲能應(yīng)用場合，由于儲能電容單體(或電容單體串聯(lián)的組件)電壓較低，通常需要由多個單體或組件串聯(lián)構(gòu)成系統(tǒng)。而超級電容單體元件參數(shù)離散性較大，由多個單體串聯(lián)的系統(tǒng)需要考慮電壓均衡問題。由于均衡的限制，儲能系統(tǒng)難以采用大量單體或組件串聯(lián)。因而針對較高電壓的場合，常用的方法有儲能系統(tǒng)的功率變換，如超級電容儲能模塊串聯(lián)的儲能系統(tǒng)功率變換方案，但該系統(tǒng)仍需附加均衡電路對超級電容組進行電壓均衡控制；采用H 橋級聯(lián)變換器作為應(yīng)用于交流電網(wǎng)的儲能變換方案，該方案降低了每個儲能模塊(該文中為蓄電池)的電壓等級；MMC-BDC儲能拓?fù)湓谕β实燃墬l件下開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力小，在相同輸出電流紋波條件下所需的電感僅為單半橋拓?fù)涞?/N2(N 為級聯(lián)模塊數(shù))等特點，在高壓、大功率雙向電能變換場合具有優(yōu)勢。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服超級電容單體電壓低與應(yīng)用場合電壓高間的矛盾，本發(fā)明提出一種用于超級電容儲能系統(tǒng)的MMC雙向DCDC變換器。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

利用雙向變換器的小信號模型分析超級電容儲能系統(tǒng)電流控制與超級電容組間均壓控制的關(guān)系，設(shè)計多模塊多電平雙向DC-DC變換器的雙閉環(huán)控制策略，在穩(wěn)定控制網(wǎng)側(cè)電感電流的同時實現(xiàn)超級電容組間電壓均衡的解耦控制。進一步，根據(jù)母線電壓變化及超級電容荷電水平(state of charge，SOC)提出儲能系統(tǒng)能量控制策略。

用于超級電容儲能系統(tǒng)的MMC雙向DCDC變換器包括：MMC儲能系統(tǒng)、單電流環(huán)控制、均壓環(huán)控制、能量控制四個部分。

所述MMC儲能系統(tǒng)是將N個半橋拓?fù)涞南掳霕虮垡来未?lián)起來接至直流網(wǎng)側(cè)，橋臂兩端通過LC 濾波器接超級電容器組。

所述單電流環(huán)控制是將采樣得到的電流進行PI控制，使其跟蹤給定電流。

所述均壓環(huán)控制以單模塊系統(tǒng)為對象進行設(shè)計，采用比例P調(diào)劑消除電壓靜差。

所述能量控制以穩(wěn)定電網(wǎng)側(cè)的電壓為控制目標(biāo)，采用4 個電壓調(diào)節(jié)環(huán)，通過疊加運算后確定在不同條件下能量的流向。

本發(fā)明的有益效果是：系統(tǒng)實現(xiàn)電流和電壓均衡解耦控制，并提出了模塊化的雙閉環(huán)解耦控制策略基于獨立直流網(wǎng)電壓控制目標(biāo)，提出了基于網(wǎng)側(cè)電壓和超級電容SOC的儲能系統(tǒng)管理策略。該系統(tǒng)可有助于減小超級電容單體電壓低與應(yīng)用場合電壓高間的矛盾。基于MMC的儲能系統(tǒng)在降低開關(guān)器件的電壓、電流應(yīng)力的同時將電感電流的紋波頻率提高了N倍，對降低電感的體積和重量有極大的幫助。

附圖說明

圖1 基于MMC-BDC的儲能系統(tǒng)電路原理圖。

圖2 單電流環(huán)控制模型。

圖3 均壓環(huán)控制模型。

圖4 儲能系統(tǒng)能量控制策略框圖。

具體實施方式

圖1中，它將N 個半橋拓?fù)涞南掳霕虮垡来未?lián)起來接至直流網(wǎng)側(cè)，橋臂兩端通過LC濾波器接超級電容器組(i=1,2,...,N)。由于濾波電感較小，理論分析時可忽略不計。拓?fù)渲械拈_關(guān)器件兩端電壓由超級電容器組端電壓決定，模塊串聯(lián)端口的電壓最大值由該模塊的超級電容端電壓決定。超級電容組處于釋能狀態(tài)時，雙向DC-DC變換器工作在降壓模式，半橋模塊的上橋臂開關(guān)管、下橋臂二極管及電感L組成Buck 變換器，超級電容組的能量轉(zhuǎn)移至直流母線側(cè)。開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時，電路分別工作于兩種模態(tài)。超級電容組處于儲能狀態(tài)時，雙向DC-DC 變換器工作在升壓模式，半橋模塊的下橋臂開關(guān)管、上橋臂二極管及電感組成Boost 變換器，直流母線側(cè)能量轉(zhuǎn)移至超級電容。

MMC-BDC 是一種一端串聯(lián)一端獨立的變換系統(tǒng)，通過控制濾波電感L 的電流控制儲能系統(tǒng)能量的流動。要實現(xiàn)該系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，變換器控制層面需要包含兩個控制環(huán)節(jié)，一是控制電感電流的電流閉環(huán)，另一個是實現(xiàn)模塊均衡工作的均壓環(huán)，這兩個閉環(huán)都是通過調(diào)節(jié)模塊的占空比來實現(xiàn)的。

圖2中：GI 為電流環(huán)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；為占空比至輸出電壓的增益；為電源側(cè)電感電壓至電感電流的傳遞函數(shù)；為電流采樣系數(shù)。

均壓環(huán)可以單模塊系統(tǒng)為對象進行設(shè)計。圖3中：為電壓環(huán)調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)；為超級電容充/放電電流至超級電容端電壓的傳遞函數(shù)；為超級電容電壓采樣系數(shù)。

圖4中，系統(tǒng)采用4個電壓調(diào)節(jié)環(huán)：GPI1_BUS 為母線電壓上限電壓調(diào)節(jié)器；GPI2_BUS 為母線電壓下限電壓調(diào)節(jié)器；GPI3_SC 為超級電容電壓上限電壓調(diào)節(jié)器；GPI4_SC 為超級電容電壓下限電壓調(diào)節(jié)器。各調(diào)壓環(huán)后有相應(yīng)的限幅環(huán)節(jié)，通過疊加運算后確定在不同條件下能量的流向(定義系統(tǒng)釋能時電流流向為正，變換器處于Buck 工作模式；系統(tǒng)儲能時電流流向為負(fù)，變換器處于Boost 工作模式)。