铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法

1.本发明属于新能源发电技术领域，具体涉及铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法。


背景技术：

2.铝空电池作为一种新型发电技术，具有能量密度大、工作温度低、运行安全、贮存寿命长等突出优点，干态能量密度可达500wh/kg，工作温度可控制在70℃，且不受卡诺循环限制，能量转换效率非常高，特别适合数据中心、通信基站、海岛岛礁、军事设施等领域的应急供电保障。
3.但铝空电池存在放电反应慢，难以适应大负载快速变化，通常需要与储能电池配合使用，利用储能电池的削峰填谷作用提高铝空电源系统的瞬态带载能力。
4.因此，铝空电源系统是包含铝空电池、储能电池、能量变换单元等模块在内多源系统，存在着集成控制难，导致效率-功率难以兼顾问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法，旨在解决铝空电池与储能设备之间功率和效率动态调度和管理问题，形成优化安全、高效、经济和优质运行的综合能量管理策略。
6.为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：包括以下步骤：
7.通过单向变换器将铝空电池与负载连接；
8.通过双向变换器将蓄电池与所述负载连接；
9.通过所述铝空电池经所述单向变换器向负载供电；
10.通过所述蓄电池经所述双向变换器向所述负载供电；
11.通过所述系统能量管理控制器对所述单向变换器和所述双向变换器的工作模式进行控制，直至达到预设工作模式。
12.其中，所述预设工作模式包括当所述单向变换器处于关机模式时所述双向变换器处于恒流恒压模式。
13.其中，所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所述双向变换器处于恒流恒压模式。
14.其中，所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于恒流恒压模式时所述双向变换器处于充电模式。
15.其中，所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所述双向变换器处于充电模式。
16.其中，所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于恒流恒压模式时所述双向变换器处于截止模式。
17.其中，所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所
述双向变换器处于截止模式。
18.其中，预设工作模式还包括当所述单向变换器处于关机模式时所述双向变换器处于截止模式。
19.本发明提供了一种铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法，通过单向变换器将铝空电池与负载连接；通过双向变换器将蓄电池与所述负载连接；通过所述铝空电池经所述单向变换器向负载供电；通过所述蓄电池经所述双向变换器向所述负载供电；通过所述系统能量管理控制器对所述单向变换器和所述双向变换器的工作模式进行控制，直至达到预设工作模式，通过所述系统能量管理控制器根据所述蓄电池的状态对对所述单向变换器和所述双向变换器的工作模式进行控制，解决了现有的铝空电池系统集成控制难，导致效率-功率难以兼顾问题。
附图说明
20.本发明可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
21.图1为本发明的铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法的流程图。
22.图2为铝空电池系统控制原理框图。
23.图3为工作模式1功率与能量流动示意图。
24.图4为工作模式2功率与能量流动示意图。
25.图5为工作模式3功率与能量流动示意图。
26.图6为工作模式4功率与能量流动示意图。
27.图7为工作模式5功率与能量流动示意图。
28.图8为工作模式6功率与能量流动示意图。
29.图9为工作模式7功率与能量流动示意图。
30.图10为能量管理策略的25种状态切换事件图。
具体实施方式
31.为了使本领域的技术人员可以更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明技术方案进一步说明。
32.如图1所示，本发明提供了一种铝空电源系统集成非线性优化控制与综合能量管理方法，包括以下步骤：
33.s1通过单向变换器将铝空电池与负载连接；
34.具体的，在图2中，单向dc-dc变换器的两端分别连接端铝空电池和低压端直流母线，u
pv
和u
bus
分别代表铝空电池电压和直流母线电压，i
pv
为铝空电池输出电流。根据系统不同的工作状态，单向变换器的控制电路要确保其可以自由地在mppt工作状态、恒压工作状态或关机状态3种状态之间自由切换，而这同样受控于能量管理控制电路所产生的选通信号ue和单向变换器的关断信号u
buck_sd
。当来自系统能量管理控制电路的选通信号为低电平，即ue＝0时，模选通开关选通pwm3信号，单向变换器工作在恒压工作状态，给直流母线提供稳定电压；当ue＝1时，模选通开关选通pwm4信号，单向变换器工作在mppt工作状态，使铝空电池输出最大功率。最终得到加于开关管q3的驱动信号q
3-drv
。
35.s2通过双向变换器将蓄电池与所述负载连接；
36.具体的，双向dc-dc变换器可以在boost、buck或关机状态等3种工作状态之间自由切换，而这受控于能量管理控制器。要实现该变换器双向供电，功率管q1和q2需要互补导通；同时需要对双向变换器两端的电压以及电感电流进行控制，使其可以自由地在2个方向分别实现稳压或限流工作。
37.要实现双向dc-dc变换器在2个方向分别稳压或限流工作，需要检测变换器两端电压u
bus
、u
bat
、蓄电池电流i
bat
以及双向dc-dc电感电流。buck状态的受控电压和电流分别为蓄电池电压u
bat
和充电电流i
bat
，boost状态的受控电压和电流分别为母线电压u
bus
和蓄电池放电电流(-i
bat
)，buck状态得到pwm1及其互补信号。当双向变换器工作在buck状态，此时q1为主控管，q2为被控管，双向变换器通过调节q1的占空比来调节输出；当双向变换器工作在boost状态，此时q2为主控管，q1为被控管，双向变换器通过调节q2的占空比来调节输出。被控管与主控管互补导通，即工作在同步整流状态。
38.s3通过所述铝空电池经所述单向变换器向负载供电；
39.具体的，所述负载包括交流负载和直流负载，在为交流负载供电时在所述单向变换器与所述交流负载之间增设dc-ac单元为交流负载提供电能。
40.s4通过所述蓄电池经所述双向变换器向所述负载供电；
41.具体的，在为交流负载供电时在所述双向变换器与所述交流负载之间增设dc-ac单元为交流负载提供电能。
42.s5通过所述系统能量管理控制器对所述单向变换器和所述双向变换器的工作模式进行控制，直至达到预设工作模式。
43.具体的，最大功率点跟踪(maximum power point tracking，简称mppt)模式是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。
44.cvc(恒流恒压)模式，一般以0.1c,0.2c或者0.3c充电，这里的c指的是充放电倍率。
45.工作模式1：所述预设工作模式包括当所述单向变换器处于关机模式时所述双向变换器处于恒流恒压模式。
46.工作模式2：所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所述双向变换器处于恒流恒压模式。
47.工作模式3：所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于恒流恒压模式时所述双向变换器处于充电模式。
48.工作模式4：所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所述双向变换器处于充电模式。
49.工作模式5：所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于恒流恒压模式时所述双向变换器处于截止模式。
50.工作模式6：所述预设工作模式还包括当所述单向变换器处于最大功率点跟踪模式时所述双向变换器处于截止模式。
51.工作模式7：预设工作模式还包括当所述单向变换器处于关机模式时所述双向变
换器处于截止模式。
52.针对铝空气电池系统多电源集成集成控制难、效率-功率难以兼顾等问题，研究铝空气电池多电源耦合系统集成电气网络相互耦合、相互影响规律，进而研究铝空气电池的电能转换单元之间的耦合机理，分析电池、功率变换单元、发电单元及用电系统的界面之间能量相互贯通能力及能量转/变换规律，研究复杂工况中性能各异电堆与储能设备之间功率和效率动态调度和管理方法，形成优化安全、高效、经济和优质运行的综合能量管理策略，是大功率铝空气电池系统集成设计、系统优化和系统集成的基础。
53.其中，铝空电堆(所述铝空电池)输出功率为p，负载所需功率为p
load
，i
bat
《0和i
bat
》0代表蓄电池放电和充电情况，i
bat_max
为蓄电池最大允许充电电流，u
bat_max
和u
bat_min
表示蓄电池的过充与过放电压，本项目设定u
bat_max
＝45v，u
bat_min
＝30v。
54.通过对铝空电池电压(u
pv
)、蓄电池电压(u
bat
)和蓄电池充放电电流(i
bat
)的检测，可以将系统的工作情况划分为7种工作模式，如表1所示。表1中，u
pv
》u
pv_min
和u
pv
≤
55.u
pv_min
分别表示铝空电池有能量输出和没有能量输出的情况，本系统设置u
pv_min
＝28v；
56.i
bat
》0和i
bat
《0分别对应于蓄电池放电和充电的情况，i
bat_max
是所设置的蓄电池最大充电电流，本系统设置i
bat_max
＝250a；u
bat_max
和u
bat_min
分别是设置的蓄电池过充电压和过放电压。
57.如果铝空电池不足以提供负载所需
58.能量，即p
pv
《p
load
，不足部分由蓄电池通过双向变换器来补充(i
bat
》0)。
59.表1系统的工作模式划分
[0060][0061]
如图2-9所示，工作模式1：系统运行时，单向dc-dc工作在最大功率点跟踪模式，双向dc-dc工作在boost模式，控制双向dc-dc侧的电压和电感电流，给直流母线提供稳定电压。
[0062]
工作模式2：如果铝空电池输出能量大于负载所需能量时，即p
pv
》p
load
，那么多余的能量通过双向变换器给蓄电池充电(i
bat
《0)。由于双向变换器的功率开关管互补导通，能量
可以双向流动，即蓄电池可以在放电与充电状态之间自然切换，两者的区别仅是蓄电池能量流动方向相反。
[0063]
工作模式3：在工作模式2中，在蓄电池充电电压达到过充电压(45v)，或者充电电流达到最大允许充电电流(250a)时，双向变换器应从boost恒流限压模式改变为boost恒压限流模式，控制双向变换器低压侧的电压和电感电流给蓄电池稳压充电；此时，单向变换器也需从mppt模式改变为恒压模式，控制变换器的输出电压给直流母线提供稳定电压。
[0064]
工作模式4：如果铝空电池无能量输出，即p
pv
＝0时，单向变换器不工作，而双向变换器工作在buck模式，控制双向变换器侧电压和反向电感电流，单独提供能量给负载。
[0065]
工作模式5：如果蓄电池无能量输出，即p
bat
＝0时，双向变换器不工作，此时单向变换器工作在cvc模式，控制单向变换器输出电压、电感电流和输出电流，铝空电池单独提供能量给负载。
[0066]
工作模式6：在工作模式4中，如果蓄电池连续给负载供电，可能会处于过放状态；那么当蓄电池放电电压达到其过放电压(30v)时，为了保护蓄电池，双向变换器不能继续工作，必须处于关断模式，也即整个系统停止工作.
[0067]
工作模式7：当负载功率为0或者控制铝空电池单独给储能蓄电池充电时，此时将铝空电池发出电能用于蓄电池充电，电站工作在铝空供储能蓄电池模式。铝空电池工作在cvc模式以稳定直流母线电压，双向dc-dc工作在boost恒流限压充电模式。
[0068]
从电站相关设备工作模式可将其分为11种工作状态，即关闭状态(close状态)、待机状态(standby状态)、铝空电池cvc恒压限流状态、铝空电池mppt状态、铝空电池过载限流状态、蓄电池boost恒流限压充电状态、蓄电池boost恒压限流充电状态，蓄电池buck恒压限流放电状态，蓄电池buck非限流放电状态、蓄电池boost非限流充电状态、负载断开状态。在系统运行过程中，随着负载的变化或输入电源状态的改变，这11种状态之间会进行相应地切换，其能量管理策略包含了25种状态切换事件，在图10中已将这25种事件进行了编号和标注。一旦相应的检测变量满足其中某一事件所预设的条件时，系统便会实现某两个状态间的自动切换，从而保证了整个开关电源供给负载过程中的稳定性、长期性和高效性。
[0069]
由以上分析可知，为了实现系统能量管理，有效控制蓄电池充放电过程，根据系统不同的工作状态，系统中2个变换器分别对应有3种工作状态：单向变换器可以工作在mppt状态、恒压状态或者关机(shut-down，sd)状态；双向变换器可以工作在boost状态、buck状态或sd状态。这可通过系统能量管理控制电路实现。包括双向变换器的控制、单向变换器的控制和系统能量管理控制3部分。
[0070]
上述实施例仅示例性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。