一种混合储能系统及其控制方法与控制装置与流程

1.本发明涉及新能源并网运行与控制领域，具体涉及一种混合储能系统及其控制方法与控制装置。


背景技术：

2.目前混合储能系统拓扑可分为被动混合储能系统拓扑和主动混合储能系统拓扑两种。被动混合储能系统拓扑是燃料电池和辅助电源直接接到母线上，该拓扑灵活性较差，动力源的输出电压等级要求严格。主动混合储能系统拓扑可分为直流侧并联和交流侧并联两种，直流侧并联蓄电池接dc-dc变换器，超级电容直接并联在直流母线上，交流侧并联拓扑是超级电容和蓄电池分别通过两个dc-ac变流器在交流侧并联。
3.现有的混合储能拓扑结构存在着控制灵活性、电池输出电压要求、系统高性能运行、成本等重要因素无法兼得的问题；此外，以往的研究把变换器控制复杂度、混合供电系统应用场合等作为拓扑选择的标准，并缺乏对整体拓扑结构的分析研究，较少研究将拓扑效率视为主要标准。而已有研究仅发现，通过数学分析对比现有锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构在不同负载情况下的效率，发现拓扑效率优势受负载功率分布的影响，两种拓扑结构的效率均分别在不同超级电容输出功率范围内比对方更优，而未研究如何实现维持实时拓扑效率最优。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的现有锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构在不同负载情况下的效率受负载功率分布的影响的缺陷，从而提供一种混合储能系统及其控制方法与控制装置。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：第一方面，本发明实施例提供一种混合储能系统，包括：第一储能装置、第二储能装置、第一开关、第二开关、第一变换器、第二变换器，其中，第一储能装置与第一变换器的第一端连接，第一变换器的第二端通过第一开关与第二储能装置的第一端连接，第一变换器的第三端通过第二开关与负载连接，第二储能装置的第二端与负载连接。
6.在一实施例中，第一储能装置为锂离子电池。
7.在一实施例中，第二储能装置为超级电容。
8.第二方面，本发明实施例提供一种混合储能系统的控制方法，基于第一方面的混合储能系统，控制方法包括：初始化混合储能系统参数，计算混合储能系统的拓扑效率初始值；实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式；计算混合储能系统的拓扑效率当前值，判断拓扑效率当前值是否大于拓扑效率初始值；当拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值时，则保持混合储能系统的当前的运行模式，否则返回“实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式”的步骤，直
到拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值。
9.在一实施例中，混合储能系统的运行模式包括两种，其中，模式一为第一开关闭合、第二开关断开，模式二为第二开关闭合、第一开关断开。
10.在一实施例中，计算混合储能系统的拓扑效率初始值的过程，包括：实时监测负载的反馈功率与消耗功率、锂离子电池输出功率；根据负载的反馈功率与消耗功率计算负载侧再生比；根据负载的消耗功率、锂离子电池输出功率以及负载侧再生比，计算混合储能系统的拓扑效率初始值。
11.在一实施例中，混合储能系统在模式一下的拓扑效率及在模式二下的拓扑效率相等时，第二储能模块为负载提供的功率为临界功率。
12.在一实施例中，根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式的过程，包括：判断第二储能装置为负载提供的功率是否大于临界功率；当第二储能装置为负载提供的功率大于临界功率时，将混合储能系统的运行模式切换至模式二；当第二储能装置为负载提供的功率不大于临界功率时，将混合储能系统的运行模式切换至模式一。
13.第三方面，本发明实施例提供一种混合储能系统的控制装置，包括：初始化模块，用于初始化混合储能系统参数，计算混合储能系统的拓扑效率初始值；切换模块，用于实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式；判断模块，用于计算混合储能系统的拓扑效率当前值，判断拓扑效率当前值是否大于拓扑效率初始值；循环模块，用于当拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值时，则保持混合储能系统的当前的运行模式，否则返回“实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式”的步骤，直到拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值。
14.第四方面，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与至少一个处理器通信连接的存储器，其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器执行本发明实施例第二方面的混合储能系统的控制方法方法。
15.第五方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行本发明实施例第二方面的混合储能系统的控制方法方法。
16.本发明技术方案，具有如下优点：1.本发明提供的混合储能系统，第一储能装置与第一变换器的第一端连接，第一变换器的第二端通过第一开关与所述第二储能装置的第一端连接，第一变换器的第三端通过所述第二开关与负载连接，第二储能装置的第二端与负载连接，依据这种拓扑结构将现有技术中锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构相结合，通过切换系统的运行模式，以使得在不同负载情况下，系统拓扑效率最优。
17.2.本发明提供的混合储能系统的控制方法及控制装置，考虑拓扑效率优势受负载功率分布的影响，以及现有技术中锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构在不同超级电容输出功率范围内比对方更优的因素，根据所述第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式，从而维持实时拓扑
效率最优。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明实施例提供的混合储能系统的一个具体示例的组成图；图2为本发明实施例提供的混合储能系统的控制方法的一个具体示例的流程图；图3为本发明实施例提供的混合储能系统的效率说明示意图；图4为本发明实施例提供的混合储能系统的控制方法的另一个具体示例的流程图；图5为本发明实施例提供的混合储能系统的在模式一、模式二下的拓扑效率曲线；图6为本发明实施例提供的混合储能系统的控制方法的另一个具体示例的流程图；图7为本发明实施例提供的混合储能系统的控制方法的具体流程图；图8为本发明实施例提供的混合储能系统的控制装置的一个具体示例的组成图；图9为本发明实施例提供的计算机设备一个具体示例的组成图。
具体实施方式
20.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
22.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
24.实施例1本发明实施例提供一种混合储能系统，如图1所示，包括：第一储能装置1、第二储能装置2、第一开关3、第二开关4、第一变换器5、第二变换器6，其中，第一储能装置1与第一变换器5的第一端连接，第一变换器5的第二端通过第一开关3与第二储能装置2的第一端连
接，第一变换器5的第三端通过第二开关4与负载连接，第二储能装置2的第二端与负载连接。
25.具体地，现有技术中主动混合储能系统拓扑分为直流侧并联和交流侧并联两种，其中，直流侧并联蓄电池接dc-dc变换器，超级电容直接并联在直流母线上，但是该拓扑的缺点是超级电容需要很多单元串联以获得高的母线电压，另外，在脉冲符合电流区间，超级电容的端电压会下降，如果相连的逆变器需要一个稳定的或正常工作的最小电压以生成正确的交流侧电压，则电压下降太多会产生问题，所以必须把直流电压控制在合适的范围内；此外，该拓扑的能量管理都是在主功率变换器上完成的，不能保证系统高性能运行。交流侧并联拓扑是超级电容和蓄电池分别通过两个dc-ac变流器在交流侧并联，对网侧的电压、频率变化响应较快，通过dc-ac变流器来实现对参考功率的快速、准确追踪，可以使各个储能系统对微网的输出功率进行集中控制和调节，实现微网与大电网连接点的电压稳定；但该拓扑的缺点是对网侧变流器控制要求较高，dc-ac的成本较高。
26.基于上述分析，本发明实施例将现有的直流侧并联和交流侧并联两种相结合，得到如图1所示的混合储能系统的拓扑，其中，第一储能装置1与第一变换器5的直流侧连接，第二开关4与第一变换器5的交流侧连接，超级电容与第二变换器6的直流侧连接，负载与第二变换器6的交流侧连接，通过控制第一开关3、第二开关4的开关状态，构造不同的拓扑结构。
27.在一具体实施例中，第一储能装置1为锂离子电池，第二储能装置2为超级电容，但是这两个储能装置还可以为现有技术中其他的具有双向和/或单向储能的设备，在此不作限制。
28.在一具体实施例中，本发明实施例的第一变换器5可以由dc-dc换流器、dc-ac构成，同样地，第二变换器6可以由dc-dc换流器、dc-ac构成。
29.具体地，基于图1所示的混合储能系统的结构，本发明实施例设置两种运行模式，模式一为第一开关3闭合、第二开关4断开，模式二为第一开关3断开、第二开关4闭合，在模式一下，第一储能装置1通过第一变换器5、第一开关3与第二储能装置2串联连接后，通过第二变换器6为负载供电；在模式二下，第一储能装置1通过第一变换器5、第二开关4为负载供电，第二储能装置2通过第二变换器6为负载供电。
30.实施例2本发明实施例提供一种混合储能系统的控制方法，基于实施例1的混合储能系统，如图2所示，控制方法包括：步骤s11：初始化混合储能系统参数，计算混合储能系统的拓扑效率初始值。
31.具体地，基于图1所示的混合储能系统的拓扑结构，本发明实施例混合储能系统的运行模式包括两种，其中，模式一为第一开关闭合、第二开关断开，模式二为第二开关闭合、第一开关断开。
32.具体地，如图3所示，本发明实施例初始化三个混合储能系统的参数（η1、η2、η3），其中，η1为第一变换器效率，η2为在模式一下负载功率回馈至第二储能装置时和在模式二下第二储能装置充电时的第二变换器的效率，η3是第二储能装置放电时的第二变换器的效率。
33.具体地，如图4所示，计算混合储能系统的拓扑效率初始值的过程由步骤s21~步骤s23执行，具体如下：
步骤s21：实时监测负载的反馈功率与消耗功率、锂离子电池输出功率。
34.具体地，现有锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构在不同负载情况下的效率，发现拓扑效率优势受负载功率分布的影响，两种拓扑结构的效率均分别在不同超级电容输出功率范围内比对方更优，因此，本发明实施例实时监测负载的反馈功率pr及负载的消耗功率p0、锂离子电池输出功率pi、超级电容为负载提供的功率p
sc-l
，其中，负载的反馈功率pr为负载的再生功率，再生负载既可以消耗功率，也可以回馈/再生功率。
35.步骤s22：根据负载的反馈功率与消耗功率计算负载侧再生比。
36.具体地，负载侧再生比kr计算公式如下：
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(1)步骤s23：根据负载的消耗功率、锂离子电池输出功率以及负载侧再生比，计算混合储能系统的拓扑效率初始值。
37.具体地，混合储能系统的拓扑效率初始值η
initial
为：
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(2)步骤s12：实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式。
38.具体地，本发明实施例发现现有锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构在不同负载情况下的效率，发现拓扑效率优势受负载功率分布的影响，两种拓扑结构的效率均分别在不同超级电容输出功率范围内比对方更优，由于本发明实施例提出的混合储能系统的拓扑是将现有锂离子电池与超级电容混合储能系统的交流侧并联和直流侧并联两种拓扑结构进行结合得到的，因此，本发明实施例实时监测超级电容为负载提供的功率，根据超级电容为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能的运行模式。
39.具体地，本发明实施例将混合储能系统在模式一下的拓扑效率及在模式二下的拓扑效率相等时，第二储能模块为负载提供的功率p
sc-l0
作为临界功率。本发明实施例得到临界功率的过程为：假设锂离子电池是恒定输出情况下，分别获取在模式一、模式二下拓扑效率曲线，拓扑效率曲线如图5所示，由图5可以得知，模式一、模式二的拓扑效率曲线随着参数变化（占空比），且相交于一点，交点处的拓扑效率所对应的超级电容为负载提供的功率即为临界功率。
40.具体地，本发明实施例的临界功率计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)具体地，如图6所示，根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储
能系统的运行模式的过程由步骤s31~步骤s32执行，具体如下：步骤s31：判断第二储能装置为负载提供的功率是否大于临界功率。
41.步骤s32：当第二储能装置为负载提供的功率大于临界功率时，将混合储能系统的运行模式切换至模式二；当第二储能装置为负载提供的功率不大于临界功率时，将混合储能系统的运行模式切换至模式一。
42.具体地，基于图5所示的模式一及模式二下的效率曲线，可以得知，当第二储能装置大于临界功率时，模式二下的拓扑效率更高，当第二储能装置小于或等于临界功率时，模式一下的拓扑效率更高，因此可以根据第二储能装置为负载提供的功率与临界功率的大小，切换混合储能系统的运行模式。
43.步骤s13：计算混合储能系统的拓扑效率当前值，判断拓扑效率当前值是否大于拓扑效率初始值。
44.具体地，监测当前负载的反馈功率、负载额消耗功率、锂离子电池输出功率，利用式(1)及式(2)计算拓扑效率当前值。
45.步骤s14：当拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值时，则保持混合储能系统的当前的运行模式，否则返回“实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式”的步骤，直到拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值。
46.具体地，基于上述步骤，本发明实施例对混合储能系统的控制方法流程图如图7所示，每次切换混合储能系统的运行模式后，均需要判断当前拓扑效率是否大于拓扑效率初始值，当大于拓扑效率初始值时，则保持当前运行模式，否则再次监测超级电容提供给负载的功率，并根据监测得到的超级电容提供给负载的功率以及临界功率，切换混合储能系统的运行模式，直至拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值。
47.实施例3本发明实施例提供一种混合储能系统的控制装置，如图8所示，包括：初始化模块1，用于初始化混合储能系统参数，计算混合储能系统的拓扑效率初始值；此模块执行实施例1中的步骤s11所描述的方法，在此不再赘述。
48.切换模块2，用于实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式；此模块执行实施例1中的步骤s12所描述的方法，在此不再赘述。
49.判断模块3，用于计算混合储能系统的拓扑效率当前值，判断拓扑效率当前值是否大于拓扑效率初始值；此模块执行实施例1中的步骤s13所描述的方法，在此不再赘述。
50.循环模块4，用于当拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值时，则保持混合储能系统的当前的运行模式，否则返回“实时监测第二储能装置为负载提供的功率，并根据第二储能装置为负载提供的功率、临界功率，切换混合储能系统的运行模式”的步骤，直到拓扑效率当前值大于拓扑效率初始值；此模块执行实施例1中的步骤s14所描述的方法，在此不再赘述。
51.实施例4本发明实施例提供一种计算机设备，如图9所示，包括：至少一个处理器401，例如cpu（central processing unit，中央处理器），至少一个通信接口403，存储器404，至少一
个通信总线402。其中，通信总线402用于实现这些组件之间的连接通信。其中，通信接口403可以包括显示屏（display）、键盘（keyboard），可选通信接口403还可以包括标准的有线接口、无线接口。存储器404可以是高速ram存储器（ramdom access memory，易挥发性随机存取存储器），也可以是非不稳定的存储器（non-volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。存储器404可选的还可以是至少一个位于远离前述处理器401的存储装置。其中处理器401可以执行实施例1的混合储能系统的控制方法。存储器404中存储一组程序代码，且处理器401调用存储器404中存储的程序代码，以用于执行实施例1的混合储能系统的控制方法。
52.其中，通信总线402可以是外设部件互连标准（peripheral component interconnect，简称pci）总线或扩展工业标准结构（extended industry standard architecture，简称eisa）总线等。通信总线402可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图9中仅用一条线表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
53.其中，存储器404可以包括易失性存储器（英文：volatile memory），例如随机存取存储器（英文：random-access memory，缩写：ram）；存储器也可以包括非易失性存储器（英文：non-volatile memory），例如快闪存储器（英文：flash memory），硬盘（英文：hard disk drive，缩写：hdd）或固降硬盘（英文：solid-state drive，缩写：ssd）；存储器404还可以包括上述种类的存储器的组合。
54.其中，处理器401可以是中央处理器（英文：central processing unit，缩写：cpu），网络处理器（英文：network processor，缩写：np）或者cpu和np的组合。
55.其中，处理器401还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路（英文：application-specific integrated circuit，缩写：asic），可编程逻辑器件（英文：programmable logic device，缩写：pld）或其组合。上述pld可以是复杂可编程逻辑器件（英文：complex programmable logic device，缩写：cpld），现场可编程逻辑门阵列（英文：field-programmable gate array，缩写：fpga），通用阵列逻辑（英文：generic array logic, 缩写：gal）或其任意组合。
56.可选地，存储器404还用于存储程序指令。处理器401可以调用程序指令，实现如本技术执行实施例1中的混合储能系统的控制方法。
57.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行实施例1的混合储能系统的控制方法。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（read-only memory，rom）、随机存储记忆体（random access memory，ram）、快闪存储器（flash memory）、硬盘（hard disk drive，缩写：hdd）或固降硬盘（solid-state drive，ssd)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
58.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。