基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法与流程

本发明涉及一种对混合储能系统与电动汽车充电站的孤岛微网进行能量控制的方法，属于发电技术领域。

背景技术：

随着人们对可再生能源的日益关注，微网的概念已经发展成为解决可再生能源高渗透问题的方案之一，同时也为高密度分布式能源接入配电网提供了有效的途径。微网可以在并网模式或孤岛模式下运行。其中，微网的孤岛运行控制比并网运行控制更加复杂，大量可再生能源集成接入系统会降低系统的可靠性和供电质量。能量存储的引入可起到削峰填谷、平滑电网的作用。高能量密度和高功率密度结合的蓄电池和超级电容器组成的混合储能系统具有供应或吸收微网中稳态和瞬态功率的优点，可以降低孤岛模式下微网经常受到的负荷和光伏功率突然变化造成的影响以及由此导致的直流母线电压波动。为使混合储能荷电状态(soc)在达到规定上、下限阈值后，依然有能量输出保持直流电压的稳定，可以引入电动汽车充电站作为备用储能系统。

没有大电网作为支撑，孤岛运行模式下的微网承受扰动的能力比较差，因此，设计良好的能量控制系统是保证其稳定运行的重要手段。但由于目前还没有一种成熟的孤岛微网能量控制系统，为了保持直流母线电压恒定，当混合储能系统不能维持在荷电状态规定的范围以内时，直流母线电压往往不能维持恒定，从而无法保证整个微网的稳定运行。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法，在确保直流母线电压恒定的同时，合理控制混合储能系统和电动汽车充电站的荷电状态，以延长电池的使用寿命。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法，所述方法将孤岛运行模式下交直流混合微网中可再生能源发电系统的发电量与负荷需求电量进行比较，并实时测量微网系统中电动汽车充电站和混合储能系统的荷电状态(soc)，然后根据上述信息，以稳定直流母线电压与控制混合储能系统和电动汽车充电站荷电状态为控制目标，调节可再生能源发电系统的运行状态并生成电动汽车充电站、混合储能系统的双向dc/dc变换器的电流指令值。

上述基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法，所述方法包括以下步骤：

a.电动汽车充电站及混合储能系统中蓄电池和超级电容器电流指令值的计算：

①对微网内的直流母线电压进行实时检测，得到直流母线电压实际值vdc，vdc与直流母线电压指令值vdc_ref相比较，得到直流母线电压误差信号；

②直流母线电压误差信号先经过直流母线电压pi控制器，得到总电流指令值i_ref，再经过滑动平均滤波器(maf)，得到直流母线平均电流分量指令值i_avg，i_ref与i_avg的差值为直流母线瞬态与振荡电流分量指令值i_t、i_o；令直流母线瞬态与振荡电流分量指令值之和为平抑直流母线电压功率波动的超级电容器电流指令值isc_r1；

③将直流母线平均电流分量指令值i_avg与预先设定好的电流分配比例系数λ相乘，得到稳定直流母线电压的电动汽车充电站电流指令值iev_r1；直流母线平均电流分量指令值i_avg与电动汽车充电站电流指令值iev_r1的差值即为稳定直流母线电压的蓄电池电流指令值ib_r1；

④对电动汽车充电站和蓄电池的荷电状态进行实时检测，分别得到电动汽车充电站与蓄电池荷电状态实际值socev、socb，二者与各自的荷电状态指令值socev_ref、socb_ref比较，得到控制电动汽车充电站与蓄电池soc的电流信号iev_r2、ib_r2；

b.实时采集微网各单元的电量信息，比较孤岛运行模式下交直流混合微网中可再生能源发电系统的发电量与负荷需求电量，若可再生能源发电系统的发电量大于交、直流负荷需求电量，则能量控制系统运行在发电主导模式；若可再生能源发电系统的发电量小于交、直流负荷需求电量，则能量控制系统运行在负荷主导模式，可再生能源发电系统在mppt下运行；

c.能量控制系统运行在发电主导模式时，实时测量微网系统中电动汽车充电站和蓄电池的荷电状态，并根据测量结果确定电动汽车充电站和混合储能系统的电流指令值：

①若蓄电池与电动汽车充电站的荷电状态均在设定的正常范围内，其各自的双向dc/dc变换器工作在充电状态，电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝iev_r1、ib_r＝ib_r1、isc_r＝isc_r1；

②若蓄电池soc达到其上限阈值，电动汽车充电站soc未达到其上限阈值，则电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝i_avg、ib_r＝0、isc_r＝i_ref-i_avg；

③若电动汽车充电站soc达到上限阈值，蓄电池soc未达到上限阈值，则电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝i_avg、isc_r＝i_ref-i_avg；

④若蓄电池和电动汽车充电站的soc均达到其上限阈值，可再生能源发电系统mppt模式禁用，令其输出功率等于全部负荷需求电量，电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝0、isc_r＝0；

⑤若蓄电池和电动汽车充电站的soc均低于其下限阈值，则电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝iev_r1+iev_r2、ib_r＝ib_r1+ib_r2、isc_r＝isc_r1；

d.能量控制系统运行在负荷主导模式下时，实时测量微网系统中电动汽车充电站和蓄电池的荷电状态，并根据测量结果确定电动汽车充电站和混合储能系统的电流指令值：

①若蓄电池与电动汽车充电站的荷电状态均在设定的正常范围内，电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器的双向dc/dc变换器均工作在放电状态，它们的电流指令值分别为iev_r＝iev_r1、ib_r＝ib_r1、isc_r＝isc_r1；

②若蓄电池soc达到下限阈值，电动汽车充电站soc未达到下限阈值，则电动汽车充电站提供剩余负荷的电力需求以维持直流电压，同时令电动汽车充电站为蓄电池充电至其soc指令值，此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝iev_r1+ib_r2、ib_r＝0、isc_r＝isc_r1；

③若电动汽车充电站soc达到下限阈值，蓄电池soc未达到下限阈值，则蓄电池提供剩余负荷的电力需求以维持直流电压，同时令蓄电池为电动汽车充电站充电至其soc指令值，此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝iev_r2+ib_r1、isc_r＝isc_r1；

④若蓄电池和电动汽车充电站的soc均达到下限阈值，则启动减载模式，电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝0、isc_r＝0。

上述基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法，所述可再生能源发电系统为光伏发电系统。

本发明采用多回路pi控制的能量控制策略，实现了混合储能系统和电动汽车充电站之间的功率共享，可在保持直流母线电压恒定的同时使混合储能系统和电动汽车充电站的荷电状态维持在规定范围内，从而延长了电池的使用寿命。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1为混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网结构图；

图2为微网的能量控制系统图；

图3为蓄电池控制策略图；

图4为超级电容器控制策略图；

图5为电动汽车充电站控制策略图；

图6、图7为能量管理策略流程图，其中，图6是在负荷主导模式下，图7是在发电主导模式下。

图中和文中所用标号和符号分别为：pi、比例积分控制器，maf、滑动平均滤波器，λ、电流分配比例系数，为0到1之间的常数，not、逻辑非门，vdc、vdc_ref、直流母线电压实际值与指令值，i_ref、总电流指令值，i_avg、直流母线平均电流分量指令值，ib_r1、isc_r1、iev_r1、稳定直流母线电压的蓄电池、超级电容器和电动汽车充电站的电流指令值，socb、socev、蓄电池和电动汽车充电站荷电状态实际值，socb_ref、socev_ref、蓄电池和电动汽车充电站荷电状态指令值，ib_r2、iev_r2、控制蓄电池和电动汽车充电站荷电状态的电流指令值，ib_max、ib_min、控制蓄电池荷电状态的电流上限阈值、下限阈值，iev_max、iev_min、控制电动汽车充电站荷电状态的电流上限阈值、下限阈值，ib_r、isc_r、iev_r、通过能量控制系统输出后由电流控制器输出的蓄电池、超级电容器和电动汽车充电站的电流指令值，ib、isc、iev、蓄电池、超级电容器和电动汽车充电站的电流实际值，d_b、d_sc、d_ev、为蓄电池、超级电容器和电动汽车充电站双向dc/dc变换器产生的占空比，ppv、光伏系统输出的有功功率，pacl、交流负荷有功功率，pdcl、直流负荷有功功率，ub、蓄电池端电压，lb、蓄电池双向dc/dc变换器电感，cb、蓄电池双向dc/dc变换器稳压电容，usc、超级电容器端电压，lsc、超级电容器双向dc/dc变换器电感，csc、超级电容器双向dc/dc变换器稳压电容，ppv(t)、t时刻光伏输出的有功功率，pacl(t)、t时刻的交流负荷功率，pdcl(t)、t时刻的直流负荷功率，pd(t)、t时刻光伏输出功率与交、直流负荷功率的差值，socb(t)、t时刻的蓄电池荷电状态值，socev(t)、t时刻的电动汽车充电站荷电状态值，socb_h、socb_l、蓄电池荷电状态上限阈值、下限阈值，socev_h、socev_l、电动汽车充电站荷电状态上限阈值、下限阈值。

具体实施方式

本发明提供了基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网能量控制方法，该方法可维持微网内直流母线电压的稳定，并对避免电动汽车充电站与混合储能系统中电池的深度充放电以延长其使用寿命具有重要意义。

本发明由超级电容器与蓄电池组成混合储能系统，共同对微网联络线功率波动进行抑制；其中，超级电容为功率型储能元件，响应速度快，用于平抑功率波动的高频成分；蓄电池为能量型储能元件，响应速度相对较低，用于平抑功率波动的中低频成分。此外，为了维持微网的功率平衡，储能单元需要频繁地大功率充放电，这会严重影响蓄电池的使用寿命。将超级电容与蓄电池组成混合储能单元接入微网中，可以有效提高储能系统的输出能力，延长蓄电池的寿命。

本发明有两个控制目标，即稳定直流母线电压与控制混合储能系统和电动汽车充电站soc。根据以上目标，设定了9种不同的荷电状态，这9种模式间的切换则由能量控制系统中的算法实现，其为蓄电池、超级电容器和电动汽车充电站的双向dc/dc变换器生成电流指令值。

参见图1，基于混合储能与电动汽车充电站的孤岛微网主要由微网主网和微网能量控制系统组成。其中，微网主网系统主要由直流子微网系统、交流子微网系统和交直流之间的双向ac/dc变换器组成，直流子微网系统主要包括50v直流母线，光伏发电系统，混合储能系统，电动汽车充电站，直流负荷；交流子微网系统主要包括220v交流母线和交流负荷。光伏发电系统为交、直流负荷供电，电动汽车充电站和混合储能系统平抑直流电压波动，维持微网的稳定运行。

微网能量控制系统的主要任务是在满足网内负荷需求及电能质量的前提下，对微网内部光伏发电系统、混合储能系统、电动汽车充电站及负荷进行合理地调度，确保其在各个模式下的无缝切换，使微网能够经济、安全、稳定地运行。

本发明包括以下步骤(参看图2～图7)：

a.电动汽车充电站及混合储能系统中蓄电池和超级电容电流指令值的计算：

①vdc测量模块对微网内的直流母线电压进行实时检测，得到直流母线电压实际值vdc，并与直流母线电压指令值vdc_ref相比较，得到直流母线电压误差信号；

②直流母线电压误差信号经过直流母线电压pi控制器输出总电流指令值i_ref，再经过滑动平均滤波器(maf)输出直流母线平均电流分量指令值i_avg，两者差值为直流母线瞬态与振荡电流分量指令值i_t、i_o；令电流瞬态与振荡分量指令值之和为平抑直流母线电压功率波动的超级电容器电流指令值isc_r1；

③将直流母线平均电流分量指令值i_avg与预先设定好的电流分配比例系数λ相乘得到稳定直流母线电压的电动汽车充电站电流指令值iev_r1；直流母线平均电流分量指令值i_avg与电动汽车充电站电流指令值iev_r1差值即为稳定直流母线电压的蓄电池电流指令值ib_r1；

④soc测量模块对电动汽车充电站及蓄电池荷电状态进行实时检测，分别得到电动汽车充电站与蓄电池荷电状态实际值socev、socb，并与各自的荷电状态指令值socev_ref、socb_ref相比较，得到为了控制电动汽车充电站与蓄电池soc在规定范围内的电流信号iev_r2、ib_r2。

b.若光伏发电量大于交、直流负荷需求电量，能量控制系统运行在发电主导模式；若光伏发电量小于交、直流负荷需求电量，能量控制系统运行在负荷主导模式。

若光伏发电量小于交、直流负荷需求电量，能量控制系统运行在负荷主导模式，在这种情况下，光伏发电系统始终在mppt下运行。

c.能量控制系统运行在发电主导模式下，当蓄电池与电动汽车充电站soc在正常范围内，其各自的双向dc/dc变换器工作在充电状态，蓄电池和电动汽车充电站同时储存能量。此时电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝iev_r1、ib_r＝ib_r1、isc_r＝isc_r1。

当蓄电池达到其soc上限阈值时，电流指令值ib_r1为零，剩余光伏发电功率由soc未达到上限阈值的电动汽车充电站吸收，此时由电动汽车充电站承担稳定直流母线电压工作，超级电容器平抑直流母线瞬态和振荡分量。此时电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝i_avg、ib_r＝0、isc_r＝i_ref-i_avg、。

当电动汽车充电站soc达到上限阈值时，电流指令值iev_r1为零，剩余光伏发电功率由soc未达到上限阈值的混合储能系统吸收。此时电动汽车充电站、蓄电池与超级电容器的电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝i_avg、isc_r＝i_ref-i_avg。

当混合储能系统和电动汽车充电站的soc均超过其上限阈值时，光伏剩余功率无法得到消耗，光伏mppt模式禁用，不再给储能系统和电动汽车充电站充电，此时令光伏输出功率减少到刚好满足全部负荷需求电量，系统不再储存能量，此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝0、isc_r＝0。

当混合储能系统和电动汽车充电站的soc均低于其下限阈值时，光伏多余功率用于给蓄电池和电动汽车充电站充电，此时直流电压由蓄电池、电动汽车充电站、超级电容器共同维持，并且将蓄电池和电动汽车充电站充电至各自的soc指令值。此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝iev_r1+iev_r2、ib_r＝ib_r1+ib_r2、isc_r＝isc_r1。

d.能量控制系统运行在负荷主导模式下，当soc处于正常范围内时，电动汽车充电站根据当前放电系数放电、蓄电池提供所需稳态功率、超级电容器提供瞬态/振荡功率，其各自的双向dc/dc变换器均工作在放电状态。此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝iev_r1、ib_r＝ib_r1、isc_r＝isc_r1。

当蓄电池达到soc下限阈值时，其电流指令值ib_r1为零，电动汽车充电站提供剩余负荷的电力需求以维持直流电压，同时启动蓄电池soc测量回路，令电动汽车充电站为蓄电池充电至其soc指令值。此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝iev_r1+ib_r2、ib_r＝0、isc_r＝isc_r1。

当电动汽车充电站达到soc下限阈值时，同理，蓄电池提供与上一模式中电动汽车充电站功能相同。此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝iev_r2+ib_r1、isc_r＝isc_r1。

当储能系统和电动汽车充电站放电到均低于各自soc的下限阈值时，启动减载模式。此时电动汽车充电站、蓄电池和超级电容器电流指令值分别为iev_r＝0、ib_r＝0、isc_r＝0。

参见图3，对于蓄电池的控制策略。将直流母线电压指令值vdc_ref与实际值vdc进行比较，通过pi控制器产生i_ref。i_ref经过maf滤波后产生直流母线平均电流分量指令值i_avg，i_avg与iev_r1差值为蓄电池电流指令值ib_r1。ib_r1与控制蓄电池soc的电流信号ib_r2均作为能量控制系统的输入信号，再经能量控制系统得到最终蓄电池电流指令值的输出信号ib_r，其与实际蓄电池电流ib之差通过滞环控制以产生变换器开关脉冲。

参见图4，对于超级电容器的控制策略。i_ref与ib_r1的差值经过pi控制器生成超级电容器电流指令值isc_r1。isc_r1经能量控制系统得到最终超级电容器电流指令值的输出信号isc_r。由滞环控制将超级电容器测量的实际电流isc与该指令值isc_r进行比较，产生开关切换脉冲。因此，超级电容器提供/吸收直流母线上的振荡和瞬态电流分量，以保持直流母线功率的动态平衡。

参见图5，对于电动汽车充电站的控制策略。i_avg与电流分配比例系数λ相乘得到电动汽车充电站电流指令值iev_r1。iev_r1与控制电动汽车充电站soc的电流信号iev_r2均作为能量控制系统的输入信号，再经能量控制系统得到最终电动汽车充电站电流指令值的输出信号iev_r。由滞环控制将电动汽车充电站测量的实际电流iev与该指令值iev_r进行比较，产生开关切换脉冲。

本发明通过对交直流混合微网系统孤岛运行模式下的光伏阵列、电动汽车充电站、混合储能系统以及交直流负荷的整体协调运行，实现不同荷电状态模式下系统的无缝切换。当电动汽车充电站与混合储能系统soc处于正常范围时，此时的功率全部用于平抑功率波动、维持直流母线电压恒定；而当电动汽车充电站与混合储能系统中一方荷电状态低于(或高于)设定阈值，此时其不再负责直流母线电压的稳定，而由另一方承担稳定电压的工作，同时启动soc测量模块，由soc处于规定范围内的一方为已超过阈值的一方充电(或放电)直至soc指令值。