一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法和装置与流程

本发明涉及新能源发电技术领域，具体涉及一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法和装置。

背景技术：

在光伏发电系统中，混合储能的加入可以帮助其缓冲由光伏电池本身特性带来的功率扰动，提升系统整体的功率稳定性与响应速度，为光伏发电参与电网调节提供保障。由蓄电池和超级电容组成的混合储能由于具有互补的能量特性，应用于光伏发电系统中可以帮助提升其整体的能量处理能力。蓄电池能量密度高，负责提供长时间的能量缓冲；超级电容功率密度高，适用于实现快速的功率响应。蓄电池与超级电容互补，通过双向直流变换器构成的混合储能变换器接入光伏系统，根据系统需求提供能量缓冲与功率响应。现有技术中混合储能变换器一般采用基于pid的级联双环混合储能控制，该方法过程复杂，动态响应速度较慢，难以保证在多种运行条件下的响应性能。另外，pid参数调节耗时长，且基于特定稳态工作点设计的参数值无法在工作点变化后保持良好的控制特性，鲁棒性较差。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中过程复杂、动态响应速度慢、参数调节耗时长和鲁棒性较差的不足，本发明提供一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法和装置，基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态，过程简单，提高了动态响应速度，能够快速调节参数，且鲁棒性较好。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一方面，本发明提供一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法，包括：

基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；

将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；

基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态。

所述维持直流母线电压稳定所需的功率按下式确定：

phsreg＝idc(k+1)·vdcreg

式中，idc(k+1)为k+1时刻混合储能变换器的输出电流，vdcreg为直流母线电压参考值。

所述k+1时刻混合储能变换器的输出电流idc(k+1)按下式确定：

idc(k+1)＝icbus(k+1)+iac(k)-ipv(k)

式中，iac(k)为k时刻由直流母线流出的电流，ipv(k)为k时刻光伏系统中光伏电池输入到直流母线的电流，icbus(k+1)为k+1时刻流向直流母线电容的电流。

所述k+1时刻流向直流母线电容的电流icbus(k+1)按下式确定：

式中，cbus为直流母线电容的容值，n为采样周期个数，vdc(k)为k时刻直流母线的电压。

将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容，包括：

按下式确定蓄电池分配的功率需求：

pbatreg＝q·phsreg+(1-q)·pbatreg(k-1)

式中，pbatreg为蓄电池分配的功率需求；pbatreg(k-1)为k-1时刻蓄电池分配的功率需求；q为滤波因子，且q＝2πfcts，fc为功率滤波器的截止频率，ts为采样周期；phsreg为维持直流母线电压稳定所需的功率。

将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容，包括：

按下式确定超级电容分配的功率需求：

pscreg＝phsreg-pbatreg

式中，pscreg为超级电容分配的功率需求。

基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态，包括：

确定蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系以及超级电容的功率预测值与电流的关系；

基于蓄电池分配的功率需求以及蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系确定蓄电池的功率目标函数，并基于所述超级电容分配的功率需求以及超级电容的功率预测值与电流的关系确定超级电容的功率目标函数；

基于蓄电池的功率目标函数计算蓄电池的目标功率，并基于超级电容的功率目标函数计算超级电容的目标功率；

基于蓄电池的目标功率和超级电容的目标功率确定混合储能变换器中开关管的状态。

所述蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系按下式确定：

pbat(k+1)＝ibat(k+1)·vbat(k)

式中，pbat(k+1)为k+1时刻蓄电池的功率预测值，vbat(k)为k时刻蓄电池的电压，ibat(k+1)为k+1时刻蓄电池的电流。

所述k+1时刻蓄电池的电流ibat(k+1)满足：

式中，ibat(k)为k时刻蓄电池的电流，l1为与蓄电池连接的功率电感的感值，sw1(k)为与蓄电池连接的开关管s1的开关信号。

所述超级电容的功率预测值与电流的关系按下式确定：

psc(k+1)＝isc(k+1)·vsc(k)

式中，psc(k+1)为超级电容的功率预测值，isc(k+1)为k+1时刻超级电容的电流，vsc(k)为k时刻超级电容的电压。

所述k+1时刻超级电容的电流isc(k+1)满足：

式中，isc(k)为k时刻超级电容的电流，l2为与超级电容连接的功率电感的感值，sw3(k)为与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

所述蓄电池的功率目标函数按下式确定：

jbat＝|pbatreg-pbat(k+1)|

式中，jbat为蓄电池的功率目标函数。

所述超级电容的功率目标函数按下式确定：

jsc＝|pscreg-psc(k+1)|

式中，jsc为超级电容的目标函数。

基于所述蓄电池的目标功率和超级电容的目标功率确定混合储能变换器中开关管的状态，包括：

确定蓄电池的目标功率最小时与蓄电池连接的开关管s1的开关信号，并确定超级电容的目标功率最小时与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

另一方面，本发明还提供一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制装置，包括：

第一确定模块，用于基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；

第二确定模块，用于将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；

第三确定模块，用于基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法中，基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态，过程简单，提高了动态响应速度，能够快速调节参数，且鲁棒性较好；

本发明提供的技术方案实现了稳态时的功率缓冲与功率突变时的快速暂态响应，充分发挥了蓄电池和超级电容的互补功率特性；

本发明提供的技术方案提升了蓄电池-超级电容混合储能的功率响应能力与母线电压支撑能力，保证了光伏发电系统的功率平衡与快速响应时的稳定性；

本发明提供的技术方案能够为研究光伏发电系统整体性能提供基础，能够促进光伏发电系统整体性能的提升。

附图说明

图1是本发明实施例中蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法流程图；

图2是本发明实施例中混合储能变换器主电路结构图；

图3是本发明实施例中蓄电池-超级电容混合储能变换器的具体控制流程图；

图4是本发明实施例中光伏发电系统中光伏电池发电功率仿真波形图；

图5是本发明实施例中光伏发电系统中蓄电池功率仿真波形图；

图6是本发明实施例中光伏发电系统中超级电容功率仿真波形图；

图7是本发明实施例中直流母线电压仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供了一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法，具体流程图如图1和图3所示，具体过程如下：

s101：基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；

s102：将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；

s103：基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态。

混合储能变换器如图2所示，s1、s2、s3、s4为开关管，l1、l2为功率电感，cbus为直流母线电容，vbat为蓄电池的电压，ibat为蓄电池的电流，vsc为超级电容的电压，isc为超级电容的电流，vdc为直流母线的电压。d为公共连接点，idc为储能变换器的输出电流，ipv为光伏电池(光伏发电系统包括光伏电池)输入至直流母线的电流，icbus为流向直流母线电容的电流，iac为由直流母线流向后级dc/ac变换器的电流。

混合储能变换器包括并联的第一路buck-boost电路和第二路buck-boost电路；

第一路buck-boost电路连接蓄电池，用于对蓄电池的能量进行转换；

第二路buck-boost电路连接超级电容，用于对超级电容的能量进行转换。

第一路buck-boost电路包括功率电感l1、开关管s1和开关管s2；

第二路buck-boost电路包括功率电感l2、开关管s3和开关管s4。

维持直流母线电压稳定所需的功率按下式确定：

phsreg＝idc(k+1)·vdcreg

式中，phsreg为维持直流母线电压稳定所需的功率，idc(k+1)为k+1时刻混合储能变换器的输出电流，vdcreg为直流母线电压参考值。

idc(k+1)按下式确定：

idc(k+1)＝icbus(k+1)+iac(k)-ipv(k)

式中，iac(k)为k时刻由直流母线流出的电流，ipv(k)为k时刻光伏系统中光伏电池输入到直流母线的电流，icbus(k+1)为k+1时刻流向直流母线电容的电流。

混合储能变换器需同时为光伏系统提供能量缓冲与母线支撑作用，其中光伏系统直流侧各部分的功率平衡可通过公共连接点d处的电流关系体现，即idc+ipv＝icbus+iac而母线电压的变化由流入母线电容的电流icbus直接决定，即母线电压应通过icbus进行控制。假设经过n步调整后，母线电压达到参考值vdcreg，于是，icbus(k+1)按下式确定：

式中，cbus为直流母线电容的容值，n为采样周期个数，vdc(k)为k时刻直流母线的电压。

将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容，包括：

按下式确定蓄电池分配的功率需求：

pbatreg＝q·phsreg+(1-q)·pbatreg(k-1)

式中，pbatreg为蓄电池分配的功率需求(即功率滤波器分配到蓄电池的功率需求)；pbatreg(k-1)为k-1时刻蓄电池分配的功率需求；q为滤波因子，且q＝2πfcts，fc为功率滤波器的截止频率，ts为采样周期。

将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容，包括：

按下式确定超级电容分配的功率需求：

pscreg＝phsreg-pbatreg

式中，pscreg为超级电容分配的功率需求(即功率滤波器分配到超级电容的功率需求)。

基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态，包括：

确定蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系以及超级电容的功率预测值与电流的关系；

基于所述蓄电池分配的功率需求以及蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系确定蓄电池的功率目标函数，并基于所述超级电容分配的功率需求以及超级电容的功率预测值与电流的关系确定超级电容的功率目标函数；

基于蓄电池的功率目标函数计算蓄电池的目标功率，并基于超级电容的功率目标函数计算超级电容的目标功率；

基于所述蓄电池的目标功率和超级电容的目标功率确定混合储能变换器中开关管的状态。

蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系按下式确定：

pbat(k+1)＝ibat(k+1)·vbat(k)

式中，pbat(k+1)为k+1时刻蓄电池的功率预测值，vbat(k)为k时刻蓄电池的电压，ibat(k+1)为k+1时刻蓄电池的电流，ibat(k+1)满足：

式中，ibat(k)为k时刻蓄电池的电流，l1为与蓄电池连接的功率电感的感值，sw1(k)为与蓄电池连接的开关管s1的开关信号。

超级电容的功率预测值与电流的关系按下式确定：

psc(k+1)＝isc(k+1)·vsc(k)

式中，psc(k+1)为超级电容的功率预测值，isc(k+1)为k+1时刻超级电容的电流，vsc(k)为k时刻超级电容的电压，isc(k+1)满足：

式中，isc(k)为k时刻超级电容的电流，l2为与超级电容连接的功率电感的感值，sw3(k)为与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

上述ibat(k)、isc(k+1)通过对主电路的连续数学模型离散化得到，主电路的连续数学模型为：

式中，sw1为开关管s1的开关信号，sw3为开关管s3的开关信号，1表示开通，0表示关断。

蓄电池的功率目标函数按下式确定：

jbat＝|pbatreg-pbat(k+1)|

式中，jbat为蓄电池的功率目标函数。

超级电容的功率目标函数按下式确定：

jsc＝|pscreg-psc(k+1)|

式中，jsc为超级电容的目标函数。

基于所述蓄电池的目标功率和超级电容的目标功率确定混合储能变换器中开关管的状态，包括：

确定蓄电池的目标功率最小时与蓄电池连接的开关管s1的开关信号，并确定超级电容的目标功率最小时与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

实施例2

基于同一发明构思，本发明实施例2还提供一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制装置，下面对各个组成部分的功能进行详细说明：

第一确定模块，用于基于直流母线电压参考值确定维持直流母线电压稳定所需的功率；

第二确定模块，用于将维持直流母线电压稳定所需的功率分配给蓄电池和超级电容；

第三确定模块，用于基于蓄电池分配的功率需求和超级电容分配的功率需求确定混合储能变换器中开关管的状态。

混合储能变换器如图2所示，s1、s2、s3、s4为开关管，l1、l2为功率电感，cbus为直流母线电容，vbat为蓄电池的电压，ibat为蓄电池的电流，vsc为超级电容的电压，isc为超级电容的电流，vdc为直流母线的电压。d为公共连接点，idc为储能变换器的输出电流，ipv为光伏电池(光伏发电系统包括光伏电池)输入至直流母线的电流，icbus为流向直流母线电容的电流，iac为由直流母线流向后级dc/ac变换器的电流。

混合储能变换器包括并联的第一路buck-boost电路和第二路buck-boost电路；

第一路buck-boost电路连接蓄电池，用于对蓄电池的能量进行转换；

第二路buck-boost电路连接超级电容，用于对超级电容的能量进行转换。

第一路buck-boost电路包括功率电感l1、开关管s1和开关管s2；

第二路buck-boost电路包括功率电感l2、开关管s3和开关管s4。

第一确定模块按下式确定维持直流母线电压稳定所需的功率：

phsreg＝idc(k+1)·vdcreg

式中，phsreg为维持直流母线电压稳定所需的功率，vdcreg为直流母线电压参考值，idc(k+1)为k+1时刻混合储能变换器的输出电流，且：

idc(k+1)＝icbus(k+1)+iac(k)-ipv(k)

式中，iac(k)为k时刻由直流母线流出的电流，ipv(k)为k时刻光伏系统中光伏电池输入到直流母线的电流，icbus(k+1)为k+1时刻流向直流母线电容的电流。

混合储能变换器需同时为光伏系统提供能量缓冲与母线支撑作用，其中光伏系统直流侧各部分的功率平衡可通过公共连接点d处的电流关系体现，即idc+ipv＝icbus+iac而母线电压的变化由流入母线电容的电流icbus直接决定，即母线电压应通过icbus进行控制。假设经过n步调整后，母线电压达到参考值vdcreg，于是，icbus(k+1)按下式确定：

式中，cbus为直流母线电容的容值，n为采样周期个数，vdc(k)为k时刻直流母线的电压。

第二确定模块具体用于：

按下式确定蓄电池分配的功率需求：

pbatreg＝q·phsreg+(1-q)·pbatreg(k-1)

式中，pbatreg为蓄电池分配的功率需求(即功率滤波器分配到蓄电池的功率需求)；pbatreg(k-1)为k-1时刻蓄电池分配的功率需求；q为滤波因子，且q＝2πfcts，fc为功率滤波器的截止频率，ts为采样周期。

第二确定模块具体用于：

按下式确定超级电容分配的功率需求：

pscreg＝phsreg-pbatreg

式中，pscreg为超级电容分配的功率需求(即功率滤波器分配到超级电容的功率需求)。

第三确定模块具体用于：

确定蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系以及超级电容的功率预测值与电流的关系；

基于所述蓄电池分配的功率需求以及蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系确定蓄电池的功率目标函数，并基于所述超级电容分配的功率需求以及超级电容的功率预测值与电流的关系确定超级电容的功率目标函数；

基于蓄电池的功率目标函数计算蓄电池的目标功率，并基于超级电容的功率目标函数计算超级电容的目标功率；

基于蓄电池的目标功率和超级电容的目标功率确定混合储能变换器中开关管的状态。

第三确定模块按下式确定蓄电池的功率预测值与蓄电池的电流的关系：

pbat(k+1)＝ibat(k+1)·vbat(k)

式中，pbat(k+1)为k+1时刻蓄电池的功率预测值，vbat(k)为k时刻蓄电池的电压，ibat(k+1)为k+1时刻蓄电池的电流，ibat(k+1)满足：

式中，ibat(k)为k时刻蓄电池的电流，l1为与蓄电池连接的功率电感的感值，sw1(k)为与蓄电池连接的开关管s1的开关信号。

第三确定模块按下式确定超级电容的功率预测值与电流的关系：

psc(k+1)＝isc(k+1)·vsc(k)

式中，psc(k+1)为超级电容的功率预测值，isc(k+1)为k+1时刻超级电容的电流，vsc(k)为k时刻超级电容的电压，isc(k+1)满足：

式中，isc(k)为k时刻超级电容的电流，l2为与超级电容连接的功率电感的感值，sw3(k)为与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

上述ibat(k)、isc(k+1)通过对主电路的连续数学模型离散化得到，主电路的连续数学模型为：

式中，sw1为开关管s1的开关信号，sw3为开关管s3的开关信号，1表示开通，0表示关断。

第三确定模块按下式确定蓄电池的功率目标函数：

jbat＝|pbatreg-pbat(k+1)|

式中，jbat为蓄电池的功率目标函数。

第三确定模块按下式确定超级电容的功率目标函数：

jsc＝|pscreg-psc(k+1)|

式中，jsc为超级电容的目标函数。

第三确定模块按以下过程确定开关信号：

确定蓄电池的目标功率最小时与蓄电池连接的开关管s1的开关信号，并确定超级电容的目标功率最小时与超级电容连接的开关管s3的开关信号。

实施例3

本发明实施例3提供了一种蓄电池-超级电容混合储能变换器的控制方法，通过模拟光伏电池发电功率与交流侧负载需求功率的变化分析混合储能变换器的功率响应及母线电压支撑特性。本发明实施例3的混合储能变换器各部分的参数见表1，仿真过程中光伏电池在各个时段的功率变化情况见表2。

表1

表2

在图4～6中，在0～4s，交流侧负载功率需求为10kw，混合储能根据光伏电池发电功率的变化调整自身功率，对光伏电池其进行补偿，实现光伏发电系统各部分的功率均衡。蓄电池负责稳态功率的缓冲，在0～2.75s及3.5～4s放电，补充光伏电池功率的不足。在2.75～3.5s，由于光伏电池功率过剩，蓄电池开始充电，吸收光伏发电系统的剩余功率。超级电容在稳态工作时的输出功率接近为零，仅负责对光伏发电系统瞬态功率扰动进行响应。为了分析系统对交流功率需求的响应特性，在4s处将功率需求由10kw切换至5kw。此时光伏电池的功率由不足变为过剩，混合储能变换器由输出功率状态切换为吸收功率状态，超级电容吸收切换时刻光伏发电系统的短时功率扰动，切换完成后由蓄电池吸收光伏发电系统的剩余功率。(超级电容有输出功率和吸收功率)通过对图4～6的分析，可以看出所提出的混合储能变换器可以实现光伏发电与负载需求的功率缓冲，能够在输出功率与吸收功率间快速切换，且在功率突变时具有快速的响应特性，充分发挥了蓄电池与超级电容的互补功率特性。

通过图7可以看出，在光伏发电系统中光伏电池的发电功率变化的各个时间段内，混合储能变换器均能够保持直流母线电压的稳定。为了对比，图7同时示出了采用传统pid双环控制时的直流母线电压波形，可以看出在光伏电池功率与交流侧功率需求稳定的情况下，二者均能维持直流母线电压的稳定。但在光伏电池功率持续快速变化的1～1.5s与2～3s，采用传统pid控制的直流母线电压无法准确跟踪参考值，产生一定的跟踪误差。同样，在光伏电池功率发生突变的3.5s时刻与交流侧负载功率需求发生突变的4s时刻，采用传统pid控制的直流母线电压出现较大的扰动。而本发明实施例3采用模型预测控制(modelpredictivecontrol，mpc)的混合储能变换器在两种情况下均能实现快速调节，维持直流母线电压稳定，具有较好的响应特性。与传统pid控制方法进行对比，证明了采用mpc的混合储能变换器在光伏功率持续快速变化与负载需求功率突变的情况下均能实现快速调节，维持母线电压稳定，表现出快速的响应特性，具备较强的母线电压支撑能力，可为系统进行快速功率响应提供有力保证。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

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。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。