[发明专利]微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电网技术领域，特别是涉及一种微电网储能系统中双向变流 器效率优化控制方法。

背景技术

双向变流器作为连接微电网母线和各分布式能源模块的关键，是储能系统 的核心装置。随着规模化储能系统对高效率、大容量双向变流器的需求，以及 高压蓄电池技术的成熟，近年来，很多学者将交错并联非隔离型双向拓扑应用 到新能源发电系统，并取得了很好的效果。但由于微电网系统能源输入多样化， 其孤岛运行模式下负载复杂多变，若变流器多相并联工作于轻载情况下，较大 的开关损耗和磁件损耗，会降低变换器转换效率，严重制约微电网系统高效率 运行的目标。

针对以上问题，当前主要采用以下几种方法来实现微电网储能系统双向变 换器高效率运行的目标：

1、轻载时减少交错型变流器实际工作相数来拓宽变流器高效率运行范围； 2、提出了基于损耗模型的工作相数控制策略；3、提出了轻载下调频加切相的 控制策略。但是这些方法均存在问题，例如第一种方法缺乏交错并联变流器切 相的通用策略，且控制方法过于复杂，不利于全数字控制实现；第二种方法因 未能进行切相后的进一步研究，如随着工作相数减小，变换器呈现轻载纹波恶 化的问题，不仅使得交错并联的多重化技术优势不复存在，而且纹波增大还会 冲击母线电容，降低变换器效率；第三种方法同样存在切相降频后变流器低频 下纹波显著变大的问题，使得该策略亦无法大幅提高变换器轻载效率。

因此，提供一种能够大幅提高变换器轻载效率的方法已成为本技术领域人 员急需解决的技术问题。本发明总结了现有切相控制方法的缺点和不足，提出 了一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，本方法以六相交错型 双向变流器Buck模式为研究对象，提出基于负载电流变化的损耗和效率评估模 型，绘制出负载电流和工作相数相匹配的数值表，通过查表和数字运算，评估 该负载电流的最小功率损耗，以实现轻载条件下准确自动地选择最佳切相点， 达到拓宽变流器高效率运行区间的目的；针对切相后变流器纹波恶化的难题， 引入移相磁集成技术，通过移相控制实现切相优化效率的同时，依然保持多相 交错控制的多重化优点；通过多相磁技术技术优化相电流纹波脉动，降低体积 和磁件损耗，进一步提高轻载效率空间。

发明内容

本发明为解决目前微电网储能系统中双向变流器轻载效率偏低，以及传统 切相控制易引起纹波恶化的难题，提供了一种微电网储能系统中双向变流器效 率优化控制方法。针对变流器轻载时，切相至仅有两通道运行的情况下，传统 方法已无法更进一步优化效率的缺陷，引入多自由度调频控制可进一步优化变 流器更轻负载时的转换效率；通过移相磁集成和调频调制相结合的方式，实现 变换器低纹波的切相控制，达到变流器全功率范围内的效率最优化，极大的拓 展了变流器高效运行区间，提高了储能系统乃至微电网系统的效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种微电网储能系统中双向变流器效率优化控制方法，包括一个或多个双 向变流器及分布式电池储能模块，所述双向变流器采用6相交错并联双向变流 器主电路拓扑结构，其效率优化控制方法包括以下步骤：

(1)分析变流器全功率负载范围内的损耗分布，尤其轻载模式下的损耗特 征，构建高效准确的损耗模型，考虑到多相并联交错的双向变流器各通道特性 及工作完全相等，以一相且工作于Buck模式为例进行分析研究其损耗模型，并 推演出变流器全功率损耗；

所述变流器全功率损耗包括功率开关管的导通损耗P_on，续流 二极管D₂功率损耗P_SW-D2(CCM)＝0.5V_DNt_overI_of、开关管S₁的损耗 以及寄生二极管的开关损耗

(2)建立综合考虑电路损耗和磁路损耗的优化Steinmetz模型，并推导出其 优化损耗表达式：所述优化损耗表达式中，K_Fe、α、β等系 数均可通过磁芯规格的查询得到，B_MAX为磁饱和强度峰值，f为励磁频率；

(3)采用Matlab软件，依分类变量仿真所述变流器全功率损耗中各部分开 关损耗公式，得到对应负载电流和开关频率的损耗三维模型，分析其损耗分布；