一种基于级联半桥的超级电容储能装置及其控制方法、存储介质

技术领域

本发明属于储能变换器设计领域，涉及一种基于超级电容的、用于高压直挂的储能变换器优化设计方案，具体涉及一种基于级联半桥的超级电容储能装置及其控制方法。

背景技术

超级电容广泛应用于短时、高效率、高功率密度、高循环寿命与安全性储能应用场合，但其单体储能模块电压很低、容量很小，往往需要大量储能模组串并联组合使用，储能模组间均压均流困难，装置效率较低。

链式变换器可实现大量储能单元汇集，可实现子模块的单独控制，在储能应用场合中可促进储能模块间的均压均流。而且其模块化结构可定制变换器输出电压，实现变换器无变压器高压直挂，提高储能装置效率。然而电网电压幅值很高，为满足变换器的电压约束所需储能装置串联数过大，造成储能容量浪费。传统链式变换器所需开关管较多，储能模块与变换器子模块输出较多，子模块调制与均压过程过于复杂，需要一个新的技术方案来解决这些问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，提供一种基于级联半桥的超级电容储能装置及其控制方法，其通过对应用于储能领域的链式变换器进行优化设计，以减小储能单元和开关管所需数量、提高装置耐压等级、简化调制与均压过程，减小储能装置成本，实现储能装置的无变压器高压直挂。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种基于级联半桥的超级电容储能装置，包括若干个并联设置的单相支路，所述单相支路包括若干储能单元、若干buck/boost变换器、基于半桥模块的级联支路、基于双向晶闸管的全桥模块、出口滤波电感和电网，所述储能单元连接着buck/boost变换器，所述基于半桥模块的级联支路包括若干子模块，所述buck/boost变换器连接着级联支路的子模块，所述基于半桥模块的级联支路与基于双向晶闸管的全桥模块连接，所述基于双向晶闸管的全桥模块与出口滤波电感、电网依次串联。

进一步地，所述buck/boost变换器包括滤波电感、第一上开关管、第一下开关管和滤波电容，所述级联支路的子模块包括第二上开关管和第二下开关管，所述储能单元与滤波电感和第一下开关管发射极连接，所述滤波电容与第二上开关管集电极和第二下开关管发射极连接。

进一步地，所述基于半桥模块的级联支路中第k个半桥电路下开关管的发射极与第k+1个半桥电路上开关管的发射极连接。

进一步地，所述基于半桥模块的级联支路通过第一个半桥电路上开关管的基极、最后一个半桥电路下开关管的发射极与基于双向晶闸管的全桥模块连接。

进一步地，所述基于双向晶闸管的全桥模块由若干个桥臂构成，每个桥臂均为电容耦合的单驱动串联双向晶闸管，可实现该桥臂所有晶闸管的同时触发。

进一步地，所述基于双向晶闸管的全桥模块中桥臂的数量为四个，若某相调制波大于等于0，则该相基于双向晶闸管的全桥模块中左上角四个晶闸管、右下角四个晶闸管同时导通，反之右上角四个晶闸管、左下角四个晶闸管同时导通。

一种基于级联半桥的超级电容储能装置的控制方法，包括如下步骤：

S1：采用虚拟同步机算法获取到输出信号；

S2：将输出信号输送至经典电网电流环，得到调制波u

S3：buck/boost变换器均采用电压环控制该变换器的滤波电容电压，基于半桥模块的级联支路采用基于电压排序的最近电平逼近调制，调制波u

有益效果：本发明与现有技术相比，具备如下优点：

(1)通过buck/boost变换器抬高链式变换器子模块电压，减小超级电容数量；

(2)用半桥模块构成链式变换器的级联支路，减小开关管数量；

(3)用基于双向晶闸管的全桥模块简化调制与均压过程、提高装置耐压等级。

附图说明

图1是基于级联半桥的超级电容储能装置拓扑；

图2是电容耦合的单驱动串联双向晶闸管；

图3为基于级联半桥的超级电容储能装置的整体控制框图；

图4为基于级联半桥的超级电容储能装置的驱动信号生成框图。

图1中：1为储能单元，2为buck/boost变换器，3为基于半桥模块的级联支路，4为电容耦合的单驱动串联双向晶闸管，5为基于双向晶闸管的全桥模块，6为出口滤波电感，7为电网，8为单相支路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于级联半桥的超级电容储能装置，包括三个并联设置的单相支路8，单相支路包括n个储能单元1、n个buck/boost变换器2、基于半桥模块的级联支路3、基于双向晶闸管的全桥模块5、出口滤波电感6和电网7，n个储能单元1分别连接着n个buck/boost变换器2，基于半桥模块的级联支路3包括n个子模块(半桥电路)，n个buck/boost变换器2分别连接着基于半桥模块的级联支路3的n个子模块，基于半桥模块的级联支路3与基于双向晶闸管的全桥模块5连接，基于双向晶闸管的全桥模块5与出口滤波电感6、电网7依次串联。

本实施例中buck/boost变换器2包括滤波电感、第一上开关管、第一下开关管和滤波电容，级联支路3的子模块包括第二上开关管和第二下开关管，储能单元1与滤波电感和第一下开关管发射极连接，滤波电容与第二上开关管集电极和第二下开关管发射极连接；基于半桥模块的级联支路3中第k个半桥电路下开关管的发射极与第k+1个半桥电路上开关管的发射极连接；基于半桥模块的级联支路3通过第一个半桥电路上开关管的基极、最后一个半桥电路下开关管的发射极与基于双向晶闸管的全桥模块5连接；基于双向晶闸管的全桥模块5由四个桥臂构成，每个桥臂均为电容耦合的单驱动串联双向晶闸管4，可实现该桥臂所有晶闸管的同时触发，若某相调制波大于等于0，则该相基于双向晶闸管的全桥模块中左上角四个晶闸管、右下角四个晶闸管同时导通，反之右上角四个晶闸管、左下角四个晶闸管同时导通。

如图2所示，电容耦合的单驱动串联双向晶闸管4由均压电阻、稳压管、电容组成。当输入触发信号时，左上和右下晶闸管导通，稳压管正向偏置，稳压管导通，左下和右上晶闸管导通。因此，图2所示电容耦合的单驱动串联双向晶闸管可同时触发四个晶闸管。

基于上述超级电容储能装置，本实施例提供一种基于级联半桥的超级电容储能装置的控制方法，包括如下步骤：

S1：采用虚拟同步机算法获取到输出信号；

如图3所示，其中1为虚拟同步机算法(Virtual Synchronous Generator，VSG)，2为电网电流环。虚拟同步机算法具体为：

其中，v

S2：将输出信号输送至经典电网电流环，得到调制波u

对照图3，θ

S3：如图4所示，V

本实施例还提供一种基于级联半桥的超级电容储能装置的控制系统，该系统包括网络接口、存储器和处理器；其中，网络接口，用于在与其他外部网元之间进行收发信息过程中，实现信号的接收和发送；存储器，用于存储能够在所述处理器上运行的计算机程序指令；处理器，用于在运行计算机程序指令时，执行上述有限元分析方法的步骤。

本实施例还提供一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机程序，在处理器执行所述计算机程序时可实现以上所描述的方法。所述计算机可读介质可以被认为是有形的且非暂时性的。非暂时性有形计算机可读介质的非限制性示例包括非易失性存储器电路(例如闪存电路、可擦除可编程只读存储器电路或掩膜只读存储器电路)、易失性存储器电路(例如静态随机存取存储器电路或动态随机存取存储器电路)、磁存储介质(例如模拟或数字磁带或硬盘驱动器)和光存储介质(例如CD、DVD或蓝光光盘)等。计算机程序包括存储在至少一个非暂时性有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括或依赖于存储的数据。计算机程序可以包括与专用计算机的硬件交互的基本输入/输出系统(BIOS)、与专用计算机的特定设备交互的设备驱动程序、一个或多个操作系统、用户应用程序、后台服务、后台应用程序等。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。