一种混合储能控制系统及其工作方法与流程

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一种混合储能控制系统及其工作方法与流程

本发明涉及微电网或分布式发电系统领域,尤其是一种混合储能控制系统及其工作方法。

(二)

背景技术:

随着社会的进步和经济的发展,人类对能源的需求日益增长。光伏能源作为一种可再生的清洁能源,正日益受到各国政府重视,得到了大力发展。然而,由于受光照强度、环境温度等外部环境影响,导致光伏发电普遍存在着供用电不平衡的现象。因此,需要为光伏发电系统配备一定容量的储能系统。

作为储能部件,超级电容器和蓄电池是有着很大区别的:超级电容器直接储能效率是非常高的,可以接近100%的理想值;而蓄电池需要化学转换,在“标准充电”状态下,转换效率为1/1.5(10小时放电率要充电15小时)。实际运用中,超级电容器充、放电时的发热量很小,而蓄电池的发热相对较大。特别是大电流放电时,蓄电池的极板会变形,经常大电流放电还有可能使极板断裂而报废。“超级电容器和蓄电池混合储能”要有隔离措施,否则会互相牵扯(两者内阻不同,放电电压不一样,存在两者“互充”现象使效率降低)。锂电池其轻便,体积小,能量密度大,符合分布式发电对能量密度的要求。锂电池的缺点在于,受电化学反应速率的影响,其功率密度较小,当负载功率突变时,很难满足系统的动态要求。超级电容充放电时内部发生的是物理变化,功率密度大是超级电容的一大特点,可以瞬时提供较大功率,缺点在于其能量密度较低,因此锂电池与超级电容在性能上互补性很强,自然可以考虑将两者结合构成混合储能系统,充分发挥两者优势,使系统性能大大提高。

(三)

技术实现要素:

本发明的目的在于提供一种混合储能控制系统及其工作方法,它可以克服现有技术的不足,是一种将多种储能方式结合在一起的结构简单、容易实现、可操作性强的混合储能系统及其工作方法。

本发明的技术方案:一种混合储能控制系统,包括负载、直流母线、光伏发电单元,其特征在于它包括混合储能单元、变换器单元、PWM单元和控制器单元;其中,所述控制器单元由2个控制器模块构成,分别是变换器单元控制器I和混合储能单元充放电控制器模块;所述混合储能单元依变换器单元和PWM单元与直流母线呈双向连接;所述混合储能单元为负载供电;所述变换器单元控制器I采集混合储能单元的充放电电流信号和直流母线电压信号,对变换器单元进行工作模式的控制;所述混合储能单元充放电控制器模块的输入的采集混合储能单元的端电压和充放电电流信号,对控制混合储能单元进行充放电进行控制。

所述混合储能单元是由锂电池与超级电容构成,所述锂电池是维持直流母线上能量供需平衡提供稳定直流母线电压的V-f分布式电源;所述超级电容则可以在负载突变时为微网提供恒定的频率,作为PQ分布式电源,减小负载突变对直流母线造成的冲击;所述锂电池与超级电容均依次通过变换器单元与直流母线相连。

所述变换器单元是DC-DC双向变换器,也可以是由DC-AC变换器和AC-DC变换器构成的变换器单元。

所述DC-DC双向变换器是由开关管S1、开关管S2、二极管VD1、二极管VD2和电容C1构成;所述二极管VD1、二极管VD2分别并联在开关管S1、开关管S2的集电极和发射极两端;所述电容C1并联在相互串联的开关管S1、开关管S2两端;所述混合储能单元可以等效成电容C、内阻R和电感L相互串联的电路结构,一端连接在开关管S1、开关管S2的串联中间点,另一端与电容C1连接;所述负载可以等效成电阻RL,并联在电容C1两端。

所述混合储能器单元充放电控制模块由三个控制器构成,分别记作控制器II、控制器III和控制器IV;所述控制器I采集锂电池充放电电流和直流母线电压,控制变换器单元工作于单端稳压模式,稳定直流母线的电压;所述控制器II采集超级电容端压和充放电电流,以实现对超级电容充放电功率的控制,释放或吸收突变功率的高频信号给锂电池,通过控制器IV控制锂电池的充放电;所述控制器III在负载功率波动值小于设定的阈值时,采集超级电容的电流和端电压,对超级电容进行恒压限流充电控制;所述控制器IV对锂电池进行充放电控制。

一种混合储能控制系统的工作方法,其特征在于它包括以下步骤:

(1)由控制器I采集锂电池充放电电流和直流母线电压,并根据给定的直流母线电压值控制变换器单元工作于单端稳压模式,稳定直流母线的电压;

(2)设Pload、PLi、Pc、Ppv分别为负载、锂电池、超级电容以及光伏电池的功率,则可以得到负载的功率应满足:Pload=PLi+Ppv+Pc

(3)对负载功率进行高频分量的检测;设Pc-ref为负载突变时超级电容的高频功率给定量,根据单极点高通滤波器的通用表达式可知:

其中,K为比例系数;s为算子;ω0为频率。

(4)控制器II采集超级电容端电压和充放电电流,根据负载功率高频分量检测环节的高频功率信号,得出超级电容实时充放电电流值的大小,以实现对超级电容充放电功率的控制,释放或吸收突变功率的高频信号给锂电池,通过控制器IV控制锂电池的充放电;

(5)确定超级电容本身的充放电功率;此时,若负载容量突然变大,需要确定的是超级电容应该释放的功率和放电电流的大小;而当当负载突然减小时,则需确定超级电容所要吸收的功率和充电电流的大小;

超级电容的充放电功率Pc为:

Pc=VcIc

其中,Vc为超级电容两端的电压,Ic为超级电容支路上的电流;

当负载突然增加时,经滤波得出的超级电容功率给定Pc-ref为正值,即此时超级电容应该释放的功率为:

此时,超级电容放电电流应该为:

当负载突然减小时,经过滤波得出的Pc-ref为负值,即此时超级电容应该吸收功率,为:Pc=VcIc=Pc-refμ;

此时,超级电容的充电电流大小为:

在负载突然增加或突然减小时,控制器II根据超级电容放电电流和充电电流的计算结果,即可实现对超级电容功率的控制;

(6)当负载的功率波动值小于设定的阈值时,控制器III则采集超级电容的电流和端电压,根据设定的超级电容端压参考值进行恒压限流充电,这能使超级电容的电压时刻维持在设定值,为下一次负载突变做准备;

(7)在运行在锂电池过放时,锂电池已经不能在维持母线电压稳定,应断开负载,由控制器IV对锂电池进行充电控制,根据采集到的锂电池的端电压和电流,对其进行恒压限流充电。

本发明的优越性:将锂电池与超级电容分别通过双向半桥变换器连接到直流母线上构成混合储能系统,锂电池稳定直流母线电压以维持母线上能量供需平衡,超级电容立即供应负载波动功率高频分量,抑制负载突变对直流母线造成的影响。恒压限流充电环节能在负载突变后对超级电容自动充放电,使其端电压回到给定值,为下一次负载突变做准备,极大地提高了超级电容的利用率,减小了系统对超级电容的容量要求。

(四)附图说明:

图1为本发明所涉一种混合储能控制系统的整体结构图框图。

图2为本发明所涉一种混合储能控制系统的中的双向半桥变换器的电路结构图。

图3为本发明所涉一种混合储能控制系统工作方法的流程示意图。

(五)具体实施方式:

实施例:一种混合储能控制系统(见图1),包括负载、直流母线、微网内发电单元,其特征在于它包括混合储能单元、变换器单元、PWM单元和控制器单元;其中,所述控制器单元由2个控制器模块构成,分别是变换器单元控制器I和混合储能单元充放电控制器模块;所述混合储能单元依变换器单元和PWM单元与直流母线呈双向连接;所述混合储能单元为负载供电;所述变换器单元控制器I采集混合储能单元的充放电电流信号和直流母线电压信号,对变换器单元进行工作模式的控制;所述混合储能单元充放电控制器模块的输入的采集混合储能单元的端电压和充放电电流信号,对控制混合储能单元进行充放电进行控制。

所述混合储能单元(见图1)是由锂电池与超级电容构成,所述锂电池是维持直流母线上能量供需平衡提供稳定直流母线电压的V-f分布式电源;所述超级电容则可以在负载突变时为微网提供恒定的频率,作为PQ分布式电源,减小负载突变对直流母线造成的冲击;所述锂电池与超级电容均依次通过变换器单元与直流母线相连。

所述变换器单元是DC-DC双向变换器(见图1),也可以是由DC-AC变换器和AC-DC变换器构成的变换器单元。

所述DC-DC双向变换器(见图2)是由开关管S1、开关管S2、二极管VD1、二极管VD2和电容C1构成;所述二极管VD1、二极管VD2分别并联在开关管S1、开关管S2的集电极和发射极两端;所述电容C1并联在相互串联的开关管S1、开关管S2两端;所述混合储能单元可以等效成电容C、内阻R和电感L相互串联的电路结构,一端连接在开关管S1、开关管S2的串联中间点,另一端与电容C1连接;所述负载可以等效成电阻RL,并联在电容C1两端。

所述混合储能器单元充放电控制模块由三个控制器构成(见图1),分别记作控制器II、控制器III和控制器IV;所述控制器I采集锂电池充放电电流和直流母线电压,控制变换器单元工作于单端稳压模式,稳定直流母线的电压;所述控制器II采集超级电容端压和充放电电流,以实现对超级电容充放电功率的控制,释放或吸收突变功率的高频信号给锂电池,通过控制器IV控制锂电池的充放电;所述控制器III在负载功率波动值小于设定的阈值时,采集超级电容的电流和端电压,对超级电容进行恒压限流充电控制;所述控制器IV对锂电池进行充放电控制。

一种混合储能控制系统的工作方法(见图3),其特征在于它包括以下步骤:

(1)由控制器I采集锂电池充放电电流和直流母线电压,并根据给定的直流母线电压值控制变换器单元工作于单端稳压模式,稳定直流母线的电压;

(2)设Pload、PLi、Pc、Ppv分别为负载、锂电池、超级电容以及光伏电池的功率,则可以得到负载的功率应满足:Pload=PLi+Ppv+Pc

(3)对负载功率进行高频分量的检测;设Pc-ref为负载突变时超级电容的高频功率给定量,根据单极点高通滤波器的通用表达式可知:

其中,K为比例系数;s为算子;ω0为频率。

(4)控制器II采集超级电容端压和充放电电流,根据负载功率高频分量检测环节的高频功率信号,得出超级电容实时充放电电流值的大小,以实现对超级电容充放电功率的控制,释放或吸收突变功率的高频信号给锂电池,通过控制器IV控制锂电池的充放电;

(5)确定超级电容本身的充放电功率;此时,若负载容量突然变大,需要确定的是超级电容应该释放的功率和放电电流的大小;而当当负载突然减小时,则需确定超级电容所要吸收的功率和充电电流的大小;

超级电容的充放电功率Pc为:

Pc=VcIc

其中,Vc为超级电容两端的电压,Ic为超级电容支路上的电流;

当负载突然增加时,经滤波得出的超级电容功率给定Pc-ref为正值,即此时超级电容应该释放的功率为:

此时,超级电容放电电流应该为:

当负载突然减小时,经过滤波得出的Pc-ref为负值,即此时超级电容应该吸收功率,为:Pc=VcIc=Pc-refμ;

此时,超级电容的充电电流大小为:

在负载突然增加或突然减小时,控制器II根据超级电容放电电流和充电电流的计算结果,即可实现对超级电容功率的控制;

(6)当负载的功率波动值小于设定的阈值时,控制器III则采集超级电容的电流和端电压,根据设定的超级电容端压参考值进行恒压限流充电,这能使超级电容的电压时刻维持在设定值,为下一次负载突变做准备;

(7)在运行在锂电池过放时,锂电池已经不能在维持母线电压稳定,应断开负载,由控制器IV对锂电池进行充电控制,根据采集到的锂电池的端电压和电流,对其进行恒压限流充电。

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