基于准Z源变换器的混合储能系统应用研究

提出一种基于双向准Z源变换器(QZSC)的超级电容-电池混合储能系统(HESS)。利用双向QZSC的升降压特性使电动汽车储能系统和驱动系统相融合,节省了电池功率变换器,且降低了电池与超级电容额定电压。重点阐述了不同运行模式下稳态运行原理,同时为发挥不同储能单元功率与能量密度的优势,提高HESS动态响应,在电机矢量控制中嵌入了储能系统功率分频协调控制方法。实验验证了所提HESS及控制策略的有效性。     

基于模糊逻辑的电动汽车双源混合储能系统能量管理策略

针对电动汽车行驶过程中电池放电电流过大导致的电池容量衰减问题,构建了由锂离子动力电池、超级电容和多端口DC/DC变换器构成的全主动式混合储能系统,其中电流环控制器和电压环控制器分别控制输出电流和直流母线电压。结合超级电容SOC、整车需求功率和车速情况,根据建立的45条模糊控制规则,模糊逻辑控制器调节锂离子动力电池和超级电容的充放电功率,在车辆峰值功率需求较高时避免了高频电流波动对动力电池寿命的影响。同时在功率需求较低时,动力电池给超级电容充电。在HWFET工况下的实验结果表明所提出的全主动式双能量源混合储能系统和基于模糊逻辑的能量管理策略能够有效保护锂离子动力电池免受大电流波动影响,从而达到延长电池寿命的作用。     

适用于储能系统的准Z源模块化多电平双向DC-DC变换器的设计与控制

为了解决传统模块化多电平变换器应用于储能系统中存在的问题,该文提出一种新型阻抗源模块化双向功率变换器。该变换器将双向准Z源与半桥子模组相结合,构成阻抗源子模组。双向准Z源的引入改变了模块化多电平变换器的能量转换模式,使得系统能够以降压形式进行能量存储,以升压方式进行能量释放,从而解决了传统变换器在母线电压瞬时升高时的过电流问题。此外,双向准Z源可提高半桥变换器的输入电压,从而减少串联模组数量,有助于简化系统控制结构,提升系统可靠性。该文详细分析了变换器的子模组工作原理、调制方法,并设计了系统控制策略,通过搭建的储能系统物理实验平台进行了有效验证。理论分析及实验结果表明所提变换器相较于传统模块化多电平变换器更适用于储能系统应用。     

直流储能型准Z源光伏并网逆变器

针对光伏并网发电系统因输入波动所引发的功率不平衡问题,提出一种具有连续电流输入的储能型准Z源逆变器解决方案。详细推导了小信号激励下该逆变器的数学模型,采用母线电压控制和网侧电流控制的并网策略,构建了一套储能电池功率与电流双闭环控制的充放电管理方法,以实现对光伏电池输出功率波动的抑制。与此同时,在MATLAB/Simulink环境下搭建了直流储能型准Z源光伏并网系统的全套仿真模型及相关工况仿真研究,系统良好的静、动态仿真结果显示,所提出的设计方案与控制方法能够有效解决并网型光伏系统的功率不平衡问题。     

电动汽车混合储能装置小波功率分流方法

针对电动汽车混合储能装置的锂离子动力电池承受高频功率需求造成循环寿命衰减问题,提出一种混合储能装置小波功率分流方法。首先简述变换器的电路结构及4种运行模式,重点分析变换器加速模式下的功率流特性。其次在多端口功率变换器基础上提出一种Haar小波分解与重构混合储能装置功率分流方法,实现了功率需求高频暂态分量和稳态分量在功率型储能装置和能量型储能装置之间的功率分流。最后通过实验验证高速公路经济性测试工况下变换器加速模式的功率分流效果。实验结果表明,所提出的基于多端口功率变换器的Haar小波功率分流方法与原始工况相比,可将锂离子动力电池高频功率需求分量频率降至原始值的1/16、峰值输出功率降低20%,有利于提升储能装置的使用寿命。     

混合储能系统的功率变换器电流预测控制方法

针对随机性强和波动性大的新能源发电系统,为了平滑其出力,提出了一种混合储能系统的功率变换器电流预测控制方法。该方法首先分析了锂电池和超级电容充放电速度的互补特性,以及它们的功率变换器各种开关状态。然后基于模型预测控制建立了锂电池、超级电容器和双功率变换器预测模型。在此基础上,应用模型预测控制设计了混合储能控制系统。在考虑锂电池电流跟踪误差、超级电容器电流跟踪误差、超级电容器损耗和双功率变换器开关管导通数量的情况下,构建了多目标评价函数,并进行了最优开关模式求解。通过实时优化控制系统,输出最优开关模式,既实现了锂电池大电流充放电和跟踪低频变化功率,也实现了超级电容器小电流充放电和跟踪高频变化功率。因此,该方法实现了混合储能系统能量合理分配,延长了锂电池使用寿命,减少了开关动作,提高了系统整体效率。最后,通过仿真验证了所提方法的正确性。     

考虑电动汽车灵活储能的交直流混合微电网功率协调控制策略

孤立交直流混合微电网集中储能荷电状态趋近充、放电临界值,容易引发微电网及其子网功率越限,从而导致系统供电不可靠。在此背景下,该文提出了一种考虑电动汽车灵活储能的交直流混合微电网功率协调控制策略。首先,根据交直流混合微电网及其子网功率盈缺状态,同时考虑混合储能中传统集中和灵活储能之间协调配合,将交直流混合微电网运行模式划分为正常、临界平衡和功率越限3种。在此基础上,根据储能荷电状态不均衡或异常、子微网越限等非正常状态进一步划分工况,以将控制目标进行细分。接着,通过分析电动汽车灵活储能、传统集中储能与互联接口变换器在同一时间尺度下的响应优先级,设计混合储能功率分配和互联接口变换器功率传输原则,并提出系统运行模式及工况间平滑切换方法。最后,基于MATLAB/Simulink搭建的交直流混合微电网仿真模型验证了所提控制策略的有效性。     

一种大功率电动汽车快速充电机

提出一种由充电功率变换器系统(CCS)和电池储能系统共同组成的快速充电机,电动汽车进行充电时供电端的功率缺额由储能系统放电进行补充。介绍了快速充电机的原理、构成及实现方法,并对CCS和储能系统配合运行的策略进行了研究,在此基础上,研制了一台400 kW电动汽车快速充电机,并成功应用于使用钛酸锂电池的快速充电巴士上。实验表明,该充电机能解决充电功率大于供电端额定功率的快速充电问题,且直流侧电流纹波、电压纹波性能优异。     

多源变换器空间矢量调制方法

针对多源变换器构成的混合储能系统直流侧储能网络电压不平衡时引起的电流畸变问题,提出一种基于空间坐标分析的新型空间矢量调制方法。提出利用矢量空间坐标关系优化调制方法的扇区判断条件,解决现有正弦脉宽调制方法和空间矢量调制方法运算时间长,且无法全范围使用的问题。此外,对各电压矢量状态下变换器功率流动进行分析,结合不同矢量组对直流侧电流的影响,实现变换器对储能网络功率协调控制。为分析变换器直流侧功率协调特性,通过构建多源变换器稳态功率流动模型,给出多源变换器最佳工作区域,为系统控制策略优化提供目标。所提出的方法运算量小、鲁棒性高,仿真和实验结果都验证了所提出调制方法的正确性和可行性。     

基于混合模块化多电平变换器的储能铁路功率调节器及其控制策略

针对电气化铁路系统具有负序、无功补偿能力和回收制动能量功能的装置存在成本高、控制不灵活的问题,本文提出了一种基于混合模块化多电平变换器(HMMC)的储能铁路功率调节器(RPC)拓扑及其控制策略。该拓扑可以灵活配置模块化多电平变换器各桥臂的储能子模块数目,同时储能子模块中RPC侧半桥变换器和储能系统侧半桥变换器控制独立,具有成本低、控制简单的特点。通过改进补偿电流指令生成方法,对储能电池采用直接电流控制并在均衡控制中前馈电池电流信息,能够灵活独立地控制各储能子模块的储能功率并维持子模块电容电压稳定;通过储能功率调配策略给定各储能子模块储能功率以充分利用储能系统容量,实现了负序、无功补偿和机车制动能量存储的目的。仿真结果验证了拓扑和控制策略的正确性和有效性。     

混合动力电动汽车的复合电源功率分配控制策略

提出一种混合动力电动汽车的复合电源功率分配控制策略。复合电源中蓄电池作为主电源,超级电容器作为辅助电源,主电源和辅助电源各自经过一个升压变换器和升降压变换器连接至直流母线端,两种电源之间的能量转换由功率变换器实现。控制策略的控制目标为:(1)稳定直流母线电压;(2)精确跟踪超级电容器电流参考值;(3)控制系统实现全局渐近稳定。在Matlab Advisor仿真环境下对复合电源以及所提控制策略进行建模与仿真,并搭建了试验样机进行试验。仿真和试验结果表明:所提复合电源功率分配控制策略能较好地满足以上三个控制目标,充分发挥复合电源中蓄电池和超级电容器的优势。     

车载混合储能系统Symlets小波变换能量管理方法

针对电动汽车锂离子动力电池承受高频功率需求造成其循环寿命衰减的问题进行了重点研究。首先,分析了由锂离子动力电池、超级电容和多端口双向DC/DC变换器构成的混合储能系统工作特性,揭示了工况周期tmax、负载电流调节频率f_adj与小波分解阶数θ的关系。进而提出了车载混合储能系统Symlets小波变换能量管理方法,实现了功率需求高频暂态分量和稳态分量在功率型储能装置和能量型储能装置之间的功率分流。最后,通过实验验证了高速公路经济性测试(HighwayFuelEconomyTest,HWFET)工况下的分流效果。实验结果表明,所提出的Symlets小波变换能量管理方法可降低锂离子动力电池所承受的高频功率需求,且系统输出电压的峰值波动比Haar小波低51.8%。     

改善电动汽车动力性能的双向Z源逆变器控制策略

探讨了一种改善电动汽车动力性能的双向Z源逆变器控制系统,提出了母线电压提升的控制策略。文章定性分析了电动汽车在加速等工况下蓄电池组的电压跌落对驱动性能的影响。采用双向Z源逆变器拓扑,根据异步电机运行特性和车辆的动力性需求升高直流母线电压,针对电压降落较大导致的电机驱动力矩减少和电动汽车高速运行时电机输出功率不够的问题进行解决,改善其动力性能。对纯电动汽车Z源逆变器系统的性能进行了仿真和实验。结果证实了控制策略的可行性和有效性。     

混合储能系统中超级电容的作用及容量设计方法

针对超级电容和锂离子电池经Buck-Boost双向DC/DC变换器升压后并联的混合储能系统（hybrid energy storage system,HESS）,详细分析了储能系统电流响应特性的影响因素。根据超级电容功率特性好和锂离子电池容量较大的特点,分析这2种储能介质在储能系统中的作用,并在此基础上提出了一种电池不直接响应功率指令,而是根据超级电容荷电状态进行充放电的功率分配方法。最后介绍了在该功率分配方法下超级电容的容量设计依据,并结合直驱型波浪发电输出功率的波动特性给出了算例。     

Fixed-boundary-layer Sliding-mode and Variable Switching Frequency Control for a Bidirectional DC–DC Converter in Hybrid Energy Storage System

In this paper, a soft switching DC–DC converter is presented for a hybrid energy storage system (HESS) in an electric vehicle (EV), using fixed boundary layer sliding mode control (FBLSMC) and variable switching frequency modulation. This strategy is aimed at improvement of the transient performance, energy transfer efficiency and system robustness for the HESS which is composed of a battery, an ultracapacitor (UC) and a bidirectional DC–DC converter. The state-space model of such DC–DC converter is firstly established involving all operating modes and system uncertainties. The FBLSMC scheme is proposed for the satisfactory voltage/current tracking despite system uncertainties. It can guarantee the system robustness and avoid the chattering existing in conventional sliding mode control (CSMC). In order to ensure the soft switching under transient load variations, a variable switching frequency modulation method is introduced into the controller. Finally, experimental results confirm that (1) within the full-load range the efficiency of the DC–DC converter with variable switching frequency is ～96% in contrast to 90% efficiency at hard switching, and (2) the energy delivered by the UC follows the reference closely for EVs.     

基于虚拟阻抗的孤岛交流微电网混合储能控制策略研究

为了实现孤岛交流微电网(AC-MG)混合储能系统(HESS)的分散控制,提出了一种基于虚拟阻抗的针对超级电容(SC)和蓄电池(Battery)构成的HESS功率动态分配方法。在不需要实时检测负载功率的情况下实现两种类型储能设备的功率实时动态分配。在分析虚拟阻抗基本原理并建立HESS等效电路模型的基础上,推导了HESS动态功率分配的理论原理。通过分析DC-AC变换器电压电流双环控制参数对于变换器输出阻抗和虚拟阻抗的影响,进而给出有益于功率分配的控制参数设置方法。在此基础上,建立了HESS的仿真模型,设计了2类典型的等效功率波动工况,深入分析HESS在各种工况下的运行特性。结果表明：在各种工况下,HESS都可以通过控制超级电容串联虚拟电容(VC)实现其补偿等效功率波动的高频部分;蓄电池串联虚拟电阻(VR)吸收功率波动的低频部分,动态功率自动分配有效实现,提高了系统的鲁棒性和可靠性。     

用于蓄电池充放电系统的三相可逆Z源变流器

研究了能量可双向流动的三相可逆Z源变流器,并将其成功应用于蓄电池充放电系统.利用Z源网络独特的升降压特性,实现了蓄电池电压大范围变化时的充放电控制,满足了不同规格蓄电池组的充放电要求.对控制系统进行了详细的设计和分析,研究了一种加入直通零矢量的可逆Z源变流器的串联双环控制方案,实现了网侧电流的单位功率因数运行.最后,分别在110V和220V蓄电池充放电装置上进行了实验,实验结果验证了方案的正确性.     

考虑混合储能荷电状态的独立光伏系统控制策略

独立光伏系统中配备由蓄电池与超级电容组成的混合储能系统可以实现功率平滑、能量平衡以及提高电能质量。在同时考虑蓄电池与超级电容各自的荷电状态以及不同重要等级负荷的情况下,提出了对混合储能的能量管理及对应Buck/Boost双向功率变换器的控制策略。该能量管理方案可以在保证微网的正常运行下维持储能元件在合理的荷电状态;该控制策略可以保证蓄电池的阶段式恒流充电和过充过放保护以及对直流母线电压的稳定快速控制。建立了独立光伏系统的模型,给出了变换器的控制策略,仿真结果验证了所提能量管理方案及控制策略的有效性。     

基于模糊控制的储能型准Z源变流器

提出一种应用于储能型准Z源变流器的模糊控制算法。近年来,模糊控制因其适应性和强鲁棒性得到广泛应用。这种控制方法与传统PI控制方法的最大不同之处在于模糊控制不需要建立精确的数学模型。将模糊控制应用于储能型准Z源变流器中,对电池充放电电流进行控制,实现了能量的双向流动。与传统的PI控制方法相比,模糊控制能有效地减小电容电压纹波,减小电网电流谐波总畸变率和减小电池充放电电流的脉动。仿真结果验证了所提出控制方法的有效性。     

混合动力电动车用高效双向直流变换器的设计

针对传统以蓄电池为动力的电动车存在的问题,提出以超级电容加双向DC-DC变换器为辅助动力源的方案。该方案在弥补蓄电池缺陷的同时,提高了整个系统的能源利用效率,并增加了电动车的续驶里程。在简要介绍了超级电容储能系统的基础上,主要研究和设计了系统中的核心部件—双向DC-DC变换器,分析了双向DC-DC变换器的工作模式和控制策略,并对双向变换器进行了软开关分析。Matlab仿真所得的相应波形验证了方案的有效性。